聚合物太阳能电池中高量子效率能量耗低于0

聚合物太阳能电池中高量子效率

能量耗低于0.6Ev

摘要：基于二酮吡咯并吡咯共轭聚合物连接噻唑单元以及连接不同的给体来设计聚合物太阳能电池。已经获得50%以上的量子效率、在光学带隙和开路电压能量损失低于0.6eV。

聚合物太阳能电池中共轭聚合物作为电子给体与富勒烯衍生物作为受体相结合已被集中研究。单结太阳能电池能量转换效率已经获得了10%以上。主要原因是由于聚合物太阳能电池效率与无机薄膜太阳能电池相比任然比较低。例如，钙钛矿太阳能电池开路电压能量损失与光学能级有关，这是由线性吸收推断的。太阳能电池中最低光子能量损失被定义为E loss =E g–qV oc，先前提出的是0.6eV，实际上有效的聚合物太阳能电池是E loss =0.7—0.8eV。交换是指能量损失降低到0.6eV，电荷产生的量子效率将急剧下降。钙钛矿太阳能电池能量损失不到0.5eV。

开路电压和电荷迁移导致聚合物太阳能电池光子能量损失，聚合物的单峰态和电荷迁移态能量损失是不同的。而后者的最小价值可以是0.1eV，甚至是更小，好的电池能量损失从S1到CT态是0.2到0.3eV。它常常被认为光能损失可能是参与电荷分离和提高光子转换为自由电子的能量。图1显示了好的聚合物一定范围外量子效率与E loss之间的关系。

将来要提高聚合物太阳能电池能量转换效率，E loss值将一定会减小，从而保持一个高的量子效率来产生电荷。因此，聚合物要求尽可能接近降低到0.6Ev,但是这是极少的。这里我们呈现了共轭聚合物的合成和应用，设计一个低的光电能量损失和证明在聚合物太阳能电池中电荷产生能E loss小于等于0.6eV。

万能的设计意图是通过富电子和缺电子来改变聚合物的最优带隙和氧化还原能。好的富电子和缺电子单元有低的带隙，降低电离电位和增加电子亲和力。给体的电离电位和受体的电子亲和力之间能量的不同决定了开路电压。

在我们的设计中我们选择了DPP作为缺电子单元，DPP衍生物已经成功的应用到太阳能电池近红外吸收，此时DOO3、6位置被噻吩取代。我们感兴趣的材料提供了高的开路电压，它对电离电位很重要。这种材料是将富电子的噻吩替换为噻唑。噻唑增加了负电性氮原子从而使得聚合物的电离电位和电子亲和力都增加。最近，我们合成的PDPP2TzT电子亲和力增强使得它可以作为所有聚合物太阳能电池的受体。当PCBM为电子受体，PDPP2TzT为电子给体，得到很低的能量转换效率。为了得到高的IP和EA我们将PDPP2TzT的噻吩环替换成富电子的BDT、2T、DTP。新的衍生物使得太阳能电池能量损失小于0.6eV，而且电荷产生高量子效率。结果表明在聚合物太阳能电池中合成的共

轭聚合物电荷产生效率能量损失小于0.6eV。

使用二DPP单元和二甲锡烷基给体单元合成DPP聚合物，偶联使用Pd2(dba)3 /PPh3为1:4的催化体系，温度为115o C，溶剂是甲苯：DMF为10:1。这个反应条件旨在降低单边反应和主链偶联的缺点。在太阳能电池中改变侧链烷基改变可以调节聚合物的溶解度，同时也可以优化聚合物的形态。我们设计了将HD、DT、BO在PDPP2TzT的侧链取代基作为给体。结合高分子重量范围76.0到108.9kg/mol和DPP聚合物的总趋势，聚合物与PCBM混合被期望得到纳米级的网状物。

DPP聚合物展现了很强的近红外吸收，聚合物就T、2T、DTB取代BDT

后带隙Eg由1.53eV分别降低到1.47，1.44，1.28。聚合物的氧化还原电位由薄膜循环伏安法决定，PDPP2TzT有高的氧化电位0.74V和还原电位-1.16V。聚合物还有BDT、2T、DTP单元使得氧化和还原电位均降低。表一显示PDPP2TzT和PCBM的还原电位只有0.07eV，这使得光诱导电荷太小，还原电位对三个聚合物有稍微的偏大。还原电位低于0.3eV常常被认为有效电荷分离的临界值。PCBM的氧化电位对Fc/Fc +是1.4V，这使得不同的聚合物氧化电位足够大。

测试这些聚合物作为给电子在太阳能电池的性能，DPP聚合物与PCBM 混合作为电子受体，薄层在ITO/MoO3夹层中作为孔收集电极，LiF/Al作为复合阴极。当我们使用PEDOT:PSS取代MoO3，密度电压特性在图S4和表S1可以看到，这是由于PASSH酸和噻唑单元上氮的相互作用。我们几乎不认为S形是由功函数与PEDOT:PSS对比不足的原因引起的，因为特定PEDOT:PSS 公式用来提供开路电压不超过1V，对其他聚合物富勒烯电池没有S形，使用MoO3有效的去除S形。通过调节溶剂和助溶剂、受体和给体比例、薄膜厚度来优化感光层。聚合物富勒烯重量比为1:2和氯仿旋涂10%DCB使得PDPP2TzT和PDPP2TzBDT获得很好性能。PDPP2TzT和PDPP2TzBDT最优重量比为1:3，氯仿旋涂5%DCB，活性层最优厚度为105nm，图四中显示J-V 特性和EQE,装置参数总结在表二中，积分EQE在AM1.5G光谱中测量短路电流。

尽管PDPP2TzT与PCBM混合电池有相对高的开路电压0.96V，稳定的能量转换效率1.1%，低的短路电流，低的还原电位0.07eV。PDPP2TzBDT与PCBM 混合电池的还原电位增加到0.16eV，短路电流增加到6.2mA/cm-2和能量转换效率为3.2%，PDPP2Tz2T与PCBM混合短路电流为8.8mA/cm-2，还原电位为0.21eV，能量转换效率为5.1%，PDPP2Tz2T尽管带隙能量低，但开路电压仍然高0.92eV。最终PDPP2Tz2DTP与PCBM混合形成的电池还原电位为0.22eV，能量转换效率增大为5.6%，短路电流为14.9mA/cm-2。这些电池的填充因子较其他DPP聚合物相对低（0.53—0.63），实际上它们是纤维状混合物，半结晶聚合物网状结构在TEM显微下观察最多的是DPP聚合物。

不同的开路电压也反射出不同的EQE，在仅有聚合物吸收的波长范围，PDPP2TzT与PCBM混合电池EQE极大值是0.05。其它三个聚合物EQE值分别增加到0.25，0.40，0.52。

EQE值由多个因素决定，最近我们发现DPP聚合物有高的EQE主要是与狭窄聚合物纤维有关。联系结果可知，PDPP2Tz2DTP与PCBM有高的EQE 是因为它有好的形态，而其它三个形态较粗糙。

其它影响我们研究的是能量损失影响，比较表一和表二揭示了能量损失，

能量损失与还原电位相似，也与EQE有关。PDPP2TzT与PCBM混合电池能量损失最小为0.48eV，EQE值也最小，而PDPP2Tz2DTP与PCBM电池能量损失为0.59eV，EQE的极大值增加到0.52，PDPP2TzBDT与PCBM混合电池和PDPP2Tz2T与PCBM混合电池能量损失为0.55eV，但是后者有高的EQE 和能量转换效率值。然后结果显示，增加EQE将有较大的能量损失，图一可以得出。PDPP2Tz2DTP与PCBM电池EQE值为0.52，而能量损失为0.59eV，它高于DPP聚合物PDPP3T的EQE为0.49，能量损失为0.65eV。一个相似的低能量损失聚合物被Bazan课题组报道：共轭聚合物PIPCP能量损失为0.61eV，EQE为0.61。

EQE值很容易从文献数据库得到，内量子效率（IQE）是重要参数对不同的材料。105nm薄层，这些混合吸收吸收峰都达90%。在聚合物太阳能电池中EQE值和内量子效率值相似(如图4d)，聚合物PDPP2TzT, PDPP2TzBDT, PDPP2Tz2T, 和PDPP2TzDTP太阳能电池综合内量子效率吸收范围分别为0.09，0.34，0.41，0.59。

高EQE和内量子效率能量损失小于0.6eV，DPP连接噻吩聚合物打破的太阳能电池能量损失0.6eV的限制。这些聚合物设计有低的还原电位结合高的氧化电位以便开路电压可以最优化反映带隙能级。尽管太阳能电池已经获得相对低的能量损失，将来提高太阳能电池效率需要提高EQE值。提高包括降低能量混乱、降低给体和受体界面面积来降低自由载体的重组、增加介电常数。除了上述所说，设计合理氧化还原能，新型材料设计也必将增加有机太阳能电池效率超越11%的水平。

总之，我们成功的设计和合成几个DPP聚合物连接噻吩给聚合物太阳能电池。基于这些聚合物光电器件测得这些聚合物EQE达0.52，能量转换效率为5.6%，能量损失小于0.6eV。结果显示将来可以通过降低能量损失来提高聚合物太阳能电池的效率。