有机太阳能电池作为一种清洁技术在未来能够被应用于各种场合，包括物联网，智能玻璃和电子皮肤等。目前基于双组分的本体异质结太阳能电池能量转换效率已经超过18%，但是由于给受体的自聚集效应使本体异质结有机太阳能电池的稳定性大大降低。而将给受体分子通过共价键连接成单一分子作为活性层应用于单组分太阳能电池可以极大提高其稳定性。同时单组分有机太阳能电池其制备工艺简单，光电转换过程易于理解等都有助于其未来在大面积以及柔性光电器件方面的应用。尽管单组分有机太阳能电池已经有几十年的发展历史，但是由于材料及其合成方法有限和形貌调控困难等，其能量转换效率大都低于3%。
图1 (a)单组分和双组分有机太阳能电池图示 (b)自2000年以来其能量转换效率
自2017年以来，
李韦伟教授团队在单组分有机太阳能电池方面取得众多突破。在材料合成方面，团队采用"functionlization-polymerization"方法，即先功能化，再聚合的方法设计合成双缆共轭高分子，如图2。先将芳香酰亚胺引入聚合单体，采用钯催化的Stille、Suzuki、C-H活化聚合等设计合成一系列D-A结构的双缆共轭高分子，如图3。
图2 “functionlization-polymerization”方法设计合成双缆共轭高分子
在形貌调控和表征方面，团队利用GIWAXS、GIMAXS等多种手段，研究双缆共轭高分子结晶情况，研究发现其能形成与嵌段共聚物类似的层状相分离，并构建了如图4所示的层状堆积模型。而在非晶区域，研究发现通过控制给体与受体单元的混溶性，更有利于激子解离成自由电荷。通过在给体骨架不同位置引入氯原子，改变给体骨架的扭转角从而实现更好的混溶性。
图4 传统高分子和双缆高分子在结晶区的理想纳米结构
在单组分太阳能电池应用方面，李韦伟教授团队通过各种策略不断将单组分有机太阳能电池的效率刷新。团队首先通过调节给体骨架和给受体单元之间的连接单元长度，调节其相分离，初步获得2.73%的能量转换效率。接着团队提出线性骨架设计策略，使得双缆共轭高分子实现5 nm相分离，将效率提高到4.18%。另外研究发现热退火更有利于双缆共轭高分子实现层状堆积，以及改变主链骨架的扭转角可以调节其混溶性，最终实现了单组分有机太阳能电池8.4%的能量转换效率记录。同时团队和国外课题组合作研究了单组分有机太阳能电池的物理过程和以及稳定性，发现其具有优异的光、热稳定性。
作者希望该综述能够吸引更多研究者的关注并使单组分有机太阳能电池的能量转换效率获得新的突破。相关论文以"Double-Cable Conjugated Polymers with Pendant Rylene Diimides for Single-Component Organic Solar Cells "为题发表在
Accounts of Chemical Research 上。
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2021年4月22日 11:09
