“該聚合物包含給體主鏈與受體側鏈，在成膜過(guò)程中，給體與受體互相制約，難以形成有序納米結構。我們發(fā)現，溫度賦予這類(lèi)聚合物二次結晶的機會(huì )。隨著(zhù)溫度升高，聚合物薄膜中給體主鏈及受體側鏈的堆積逐漸有序，從而大幅度提升電荷傳輸效率，并降低電荷復合幾率。”課題組負責人、中國科學(xué)院化學(xué)研究所/北京化工大學(xué)教授李韋偉告訴《中國科學(xué)報》。

據悉，單組分有機太陽(yáng)能電池與傳統多組分本體異質(zhì)結電池相比，其活性層只含一種組分，從而極大提高器件穩定性與簡(jiǎn)化器件制備工藝。而且，基于雙纜共軛聚合物的單組分有機太陽(yáng)能電池，由于給、受體通過(guò)化學(xué)鍵“綁定”，活動(dòng)受限，其形貌穩定性已被證實(shí)優(yōu)于對應的本體異質(zhì)結電池。同時(shí)，在雙纜型共軛聚合物中，給、受體界面以分子尺度均勻分布，利于激子在有限的壽命內擴散到界面。因此，基于雙纜型共軛聚合物的單組分太陽(yáng)能電池具備大規模工業(yè)化應用潛力。

這類(lèi)電池雖然已有幾十年研究歷史，但目前其效率仍遠低于本體異質(zhì)結類(lèi)電池。主要原因是單組分共軛材料合成復雜，同時(shí)分子內給/受體的相分離調控難度大?；诖?，李韋偉課題組重拾歷史難題——單組分有機太陽(yáng)能電池研究。

此前，針對雙纜共軛聚合物合成復雜問(wèn)題，該課題組提出了一種“先側鏈功能化，后聚合”的設計思路，成功制備了一系列結構明確的雙纜共軛聚合物，深入探究了共軛主鏈、受體側鏈與連接單元的分子結構對聚合物凝聚態(tài)結構的影響機制，使單組分有機太陽(yáng)能電池效率從0.51%提升至4.34%。

此次，李韋偉研究組聯(lián)合德國紐倫堡大學(xué)、香港科技大學(xué)等機構研究人員，將苯并二噻吩二酮引入共軛主鏈合成了第四系列雙纜共軛聚合物，并發(fā)現該聚合物在薄膜中的相分離形貌對溫度敏感，隨著(zhù)退火溫度升高，聚合物的給體主鏈及受體側鏈的堆積逐漸變得有序，而相關(guān)太陽(yáng)能電池獲得了6.3%的光電轉換效率。

研究人員還系統研究了該電池在工作中的諸多機制問(wèn)題，同時(shí)發(fā)現其在連續1個(gè)太陽(yáng)光強度照射300個(gè)小時(shí)后仍能保持93%的初始效率。

研究人員表示，這一系列研究證明隨著(zhù)新材料的開(kāi)發(fā)和光電轉換機理研究的不斷推進(jìn)，單組分有機太陽(yáng)能電池“老壺裝新酒”，擁有巨大的研究?jì)r(jià)值與應用潛力。

據悉，該論文第一作者為該課題組博士研究生馮貴濤，通訊作者為李韋偉及中科院化學(xué)所副研究員李誠。