聚合物太陽能電池（PSCs）作為一種新型薄膜光伏電池，具有成本低、可溶液制備、毒性低、材料來源廣等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是很有前途的新型能源技術(shù)之一。要實(shí)現(xiàn)PSCs的真正商業(yè)化應(yīng)用，需要滿足三大條件：高效率、高穩(wěn)定性和低成本。經(jīng)過科學(xué)家的不懈努力，目前PSCs的最高效率已超過18%，已接近商業(yè)化應(yīng)用要求。此外，聚合物太陽能電池的輕柔以及可大面積印刷制備等特點(diǎn)，可以大大地降低器件的制備成本。然而到目前為止，文獻(xiàn)報(bào)道的大多數(shù)聚合物太陽能電池的壽命只有幾個(gè)月，還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用化要求（10年），對聚合物太陽能電池衰減機(jī)理的理解也不夠深入。
中科院蘇州納米所馬昌期研究員聯(lián)合太原理工大學(xué)閆翎鵬博士、楊永珍教授一同對聚合物:富勒烯薄膜光伏電池的衰減機(jī)理機(jī)制以及穩(wěn)定性提升方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的P3HT:PC61BM太陽能電池的衰減過程中表現(xiàn)出明顯的負(fù)載依賴性，即器件在開路條件下衰減最快，而在短路條件下衰減最慢（圖1左），同時(shí)這一衰減過程具有一定的可逆性（圖1右）。進(jìn)一步的分析結(jié)果表明，該類光伏電池衰減的負(fù)載依賴性主要是由于外接負(fù)載的不同導(dǎo)致器件內(nèi)部電勢分布的差異，進(jìn)而引發(fā)活性層內(nèi)光生高能激子濃度的不同（圖2），從而導(dǎo)致活性層中PC61BM激子二聚程度的不同。這一結(jié)果表明聚合物:富勒烯光伏電池體系中活性層內(nèi)受光激發(fā)的高能激子的濃度是導(dǎo)致器件衰減的一個(gè)重要本征原因（Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 10010-10020）。
圖1 聚合物:富勒烯太陽能電池衰減過程的負(fù)載依賴特性（左）及衰減過程的可逆性（右）
圖2 結(jié)構(gòu)為ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/MoOx/Al的太陽能電池在不同外接負(fù)載情況下工作時(shí)的能級圖.(a)太陽能電池在光照下的J-V曲線圖, (b) 無光照時(shí)不同功能層的能級分布, (c) 持續(xù)光照下，在不同外接負(fù)載條件下的太陽能電池能級分布。
在前述工作的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)通過在活性層中引入哌嗪—一種富勒烯三重態(tài)的猝滅劑有效地抑制了P3HT:PC61BM器件的衰減行為，器件在持續(xù)光照1000小時(shí)內(nèi)性能衰減不超過10%。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果同時(shí)還表明，活性層內(nèi)哌嗪摻雜還可以通過與PC61BM間的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移過程，進(jìn)而提高活性層的電子遷移率，實(shí)現(xiàn)器件效率的提升。即哌嗪分子摻雜同時(shí)提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性（圖3）。更為重要的是，哌嗪分子摻雜PTB7:PC61BM，PTB7-Th:PC61BM，PffBT4T-2OD:PC61BM等電池均同時(shí)提升了這幾類電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，表現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同效應(yīng)和很廣的普適性（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 7099-7108）。
圖3 哌嗪摻雜活性層同步提升聚合物薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性
最近項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步比較了一系列N取代哌嗪衍生物在聚合物:富勒烯太陽能電池中的摻雜效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有含N-H基團(tuán)的摻雜劑可以有效提升器件的穩(wěn)定性（圖4）。他們通過實(shí)驗(yàn)測試分析以及量子化學(xué)計(jì)算理論模擬發(fā)現(xiàn)，哌嗪中的N-H可以與PC61BM中的C-O以及富勒烯球形成分子間氫鍵（圖5），這一過程會拉近兩分子距離，從而促進(jìn)分子間的電荷轉(zhuǎn)移過程，抑制了PC61BM三重態(tài)的產(chǎn)生及二聚反應(yīng)。與此同時(shí)，計(jì)算模擬的結(jié)果表明，哌嗪摻雜可以提升P3HT與PC61BM之間的電子轉(zhuǎn)移過程，同時(shí)抑制光照下活性層中的能量轉(zhuǎn)移過程（圖6），從而在提升器件效率的同時(shí)提升了聚合物太陽能電池的穩(wěn)定性（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.9b23366）。該論文首次從分子層面理解了小分子摻雜劑對聚合物:富勒烯太陽能電池的摻雜作用機(jī)制，對其他新型穩(wěn)定劑的尋找和探究提供了指導(dǎo)，同時(shí)也對PSCs的發(fā)展有很大意義。中國科技大學(xué)碩士研究生李澤睿為該文章第一作者，北京師范大學(xué)譚宏偉教授在理論計(jì)算方面給予了大力支持。
圖4 哌嗪衍生物與PC61BM作用穩(wěn)定聚合物太陽能電池器件性能
圖5 哌嗪與PC61BM分子間氫鍵示意圖
圖6 哌嗪摻雜對活性層電荷轉(zhuǎn)移/能量轉(zhuǎn)移過程的影響
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.9b23366
