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  聚合物太陽能電池(polymer solar cell，簡稱PSC)是重要的光電轉(zhuǎn)換器件. 近年來，基于非富勒烯型電子受體的聚合物太陽能電池(NF-PSC)發(fā)展迅速. 迄今為止，單結(jié)NF-PSC的光伏效率已經(jīng)達到13%以上,超過了傳統(tǒng)的富勒烯型聚合物太陽能電池. 相比于單結(jié)NF-PSC，疊層NF-PSC有助于克服外量子效率受限和熱損耗偏高的問題. 然而，疊層NF-PSC的構(gòu)筑，對于材料的設計要求更高，器件制備的難度也更大，因而發(fā)展相對緩慢. 最近，侯劍輝等對疊層NF-PSC中的前、后子電池之間的光譜匹配性進行了優(yōu)化調(diào)制，選用窄帶隙的PTB7-Th:IEICO-4F作為后電池，寬帶隙的J52-2F:IT-M作為前電池，來構(gòu)建疊層NF-PSC，將光伏效率進一步提升到了14.9%，目前為該領(lǐng)域的最高值。

  本文將簡要介紹NF-PSC的發(fā)展概況，評述這一突出的研究成果，總結(jié)中國學術(shù)界在NF-PSC領(lǐng)域做出的卓越貢獻，并展望該領(lǐng)域的廣闊前景。

  聚合物太陽能電池(polymer solar cell，簡稱PSC)具有可通過溶液涂布方式制備大面積柔性器件的突出優(yōu)點，提升其將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率(簡稱：光伏效率)是當前重要研究目標之一.自Heeger等從1995年發(fā)明PSC以來[1]，雖然多種有機半導體均可表現(xiàn)出光伏特性，但是由聚合物電子給體和富勒烯電子受體組成的光伏材料體系備受關(guān)注. 富勒烯材料具有球狀共軛結(jié)構(gòu),由其參與的電荷轉(zhuǎn)移和傳輸過程對分子取向依賴性低，在材料體系和形貌調(diào)控方法較少的前期，更容易獲得較高的光伏效率. 然而，經(jīng)過多年發(fā)展，由聚合物給體和富勒烯受體構(gòu)建的PSC的光伏效率已逐漸達到瓶頸. 如圖1所示，在2011年含富勒烯受體的單結(jié)和疊層PSC的光伏效率達到11%，之后一直停滯不前. 因此亟待驗證非富勒烯型聚合物太陽能電池(NF-PSC)在實現(xiàn)更高光伏效率方面的可行性。

  相比于富勒烯電池，NF-PSC易于實現(xiàn)寬而強的吸收光譜，且同等光學帶隙(Eg)下易于實現(xiàn)更高的開路電壓，但對給/受體之間匹配性的要求更高. 隨著有機光伏材料的日趨豐富和器件制備技術(shù)的逐漸提高，高效率NF-PSC的實現(xiàn)逐漸成為可能. 2015年，占肖衛(wèi)等報道了基于A-D-A結(jié)構(gòu)的非富勒烯受體(ITIC)以及光伏效率達6.8%的NF-PSC，表明ITIC是一種極具潛力的新型受體[2].2016年，中國科學院化學研究所侯劍輝課題組采用新型聚合物給體(PBDB-T)與ITIC共混，實現(xiàn)了給/受體之間吸收光譜和分子能級的良好匹配以及較為理想的相分離結(jié)構(gòu)，成功地制備了具有11%光伏效率的NF-PSC[3]. 此后，該課題組針對PBDB-T 和 ITIC 進行優(yōu)化設計，逐步將單結(jié)NF-PSC的光伏效率推進至13%以上[4]. 如圖1所示，侯劍輝課題組陸續(xù)報道了3個由中國計量院驗證的同期世界最高效率. 與此同時，國內(nèi)多個課題組也在其他非富勒烯有機太陽能電池的研究中取得快速進展，基于全小分子[5]和全高分子活性層[6]的單結(jié)電池的突出結(jié)果均由我國學者報道，表明中國在此研究方面已經(jīng)走在了世界最前列。

Fig. 1 Recent progress in power conversion efficiency of fullerene-based and non-fullerene-based polymer solar cells The data are obtained from the chart of “Best Research-Cell Efficiencies” published by National Renewable Energy Laboratory and the certified photovoltaic results in literatures.

  盡管NF-PSC在拓寬光響應譜帶和提升輸出電壓方面具有突出優(yōu)勢，但是仍然面臨外量子效率受限和熱損耗偏高的問題. 構(gòu)筑具有疊層結(jié)構(gòu)的NF-PSC是克服上述問題，從而進一步提升光伏效率的有效途徑. 然而，由于疊層電池中涉及的材料種類多，器件制備難度大，其發(fā)展仍滯后于單結(jié)結(jié)構(gòu)的NF-PSC. 近期，侯劍輝等人對疊層NF-PSC中的前、后子電池之間的光譜匹配性進行了優(yōu)化調(diào)制. 他們通過一系列對比實驗，選用窄帶隙的PTB7-Th:IEICO-4F作為后電池(Eg =1.24 eV)和寬帶隙的J52-2F:IT-M作為前電池(Eg =1.59 eV)構(gòu)建疊層電池，實現(xiàn)了對300 ~ 1000 nm區(qū)間的太陽光的高效吸收，獲得了超過13 mA/cm2的短路電流密度. 同時，由于前、后子電池均具有較低的能量損耗，整個器件的開路電壓達到了1.65 V. 相比于該團隊前期取得的結(jié)果[7]，該疊層NF-PSC的光響應譜向長波方向拓寬了100 nm,短路電流密度提升了近2 mA/cm2，因此，其光伏效率也從13.1%提升至14.9%. 美中不足的是，該電池封裝之后效率略有衰減，由中國計量科學研究院驗證的光伏效率降低至14.0%，但仍然是領(lǐng)域內(nèi)取得的最高效率. 該高效率疊層NF-PSC的研究結(jié)果發(fā)表在《高分子學報》期刊上[8].

  鑒于非富勒烯型聚合物太陽能電池研究的重要性，為了繼續(xù)保持我國在光伏活性材料和器件制備研究方面的引領(lǐng)地位，國家自然科學基金委員會化學部已經(jīng)于2017年開始，以重點項目群的方式支持多個研究集體開展協(xié)同創(chuàng)新研究. 在未來的研究中，進一步大幅提升NF-PSC的光伏效率仍然勢在必行，這類電池能否達到與無機或有機/無機雜化光伏技術(shù)相比擬的光伏效率尚未可知。

  另外，隨著光伏效率的迅速提升，也需要重視和解決NF-PSC在實際應用中面臨的問題,如：電池穩(wěn)定性與衰減機制、大面積制備技術(shù)、高效率材料低成本制備等. 期待我國學者在此領(lǐng)域繼續(xù)做出獨特和獨有的貢獻，為改善能源結(jié)構(gòu)貢獻中國策略。

參考文獻：

1  Yu G, Gao J, Hummelen J C, Wudl F, Heeger A J. Science, 1995, 270: 1789 – 1791 

2  Lin Y, Wang J, Zhang Z G, Bai H, Li Y, Zhu D, Zhan X. Adv Mater 2015, 27: 1170 – 1174 

3  Zhao W, Qian D, Zhang S, Li S, Inganas O, Gao F, Hou J. Adv Mater, 2016, 28: 4734 – 4739 

4  Zhao W, Li S, Yao H, Zhang S, Zhang Y, Yang B, Hou J. J Am Chem Soc, 2017, 139: 7148 – 7151 

5  Bin H, Yang Y, Zhang Z G, Ye L, Ghasemi M, Chen S, Zhang Y, Zhang C, Sun C, Xue L, Yang C, Ade H, Li Y. J AmChem Soc, 2017, 139: 5085 – 5094 

6  Zhang Z G, Yang Y, Yao J, Xue L, Chen S, Li X, Morrison W, Yang C, Li Y. Angew Chem Int Ed, 2017, 56:13503 – 13507 

7  Cui Y, Yao H, Gao B, Qin Y, Zhang S, Yang B, He C, Xu B, Hou J. J Am Chem Soc, 2017, 139: 7302 – 7309 

8  Cui Yong(崔勇), Yao Huifeng(姚惠峰), Yang Chenyi(楊晨熠), Zhang Shaoqing(張少青), Hou Jianhui(侯劍輝). ActaPolymerica Sinica(高分子學報), 2018, (2): 223 – 230

文章鏈接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304.2018.18019