P3HT：超简单聚合物给体助力OSC性能不断突破

一直以来，基于薄膜工艺的有机太阳能电池（OSC）因其具有材料来源广泛、容易化学修饰、工艺简单、可大面积成膜、价格低廉等优点, 成为近些年国内外炙手可热的研究领域。在OSC中, 给体与受体二元体系的两个功能层以及缓冲层的种类与厚度, 对活性层的形貌有重要影响（活性层形貌的重要性在于决定了光生自由电荷的产生和迁移效率），进一步成为决定电池的短路电流密度（J_SC）、开路电压（V_OC）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）等关键性因素，从而对电池的性能具有重要的影响。

图1:基于P3HT/Cdse纳米棒的有机/无机太阳能电池

就聚合物给体材料而言，聚三己基噻吩（P3HT）是一种低成本，合成简单，最容易大量合成的聚合物材料之一。因此，P3HT是非常适合作为商业化生产的聚合物给体材料。早在2002年，A. Paul Alivisatos等人就利用P3HT与CdSe纳米棒混合制备无机/有机太阳能电池，通过控制纳米棒的长度可以改变电子直接通过薄膜器件传输的距离，而通过改变纳米棒半径可以调整带隙从而优化电池的吸收光谱与太阳发射光谱之间的重叠，进一步使得混合电池在515nm、0.1mW/cm²单色光照条件下器件的PCE值达到6.9%, 在AM1.5模拟太阳光条件下效率达到1.5%^[1]。而后不久，Franz Padinger等人就利用高温回火循环技术来提高基于P3HT：PC₆₁BM的OSC性能^[2]。研究发现，使用这种处理技术，在施加外部电压时，会导致J_SC显著增加，当白光下以800 W m^-2的光照强度可以将J_SC提高到8.5 mA cm^-2，外部量子效率达到70％，PCE为3.5%。进一步的，多项研究使得基于P3HT：PC₆₁BM共混制备的OSC的PCE提高到5%^[3]。这些数字在目前看来或许不值一提，但是对于接近20年前的OSC领域已经是非常具有突破性的成果。

图2:基于P3HT/ERCN(ORCN)有机太阳能电池

接下来的很长一段时间，各种基于P3HT作为给体材料的OSC不断被开发出来，同时性能方面获得了很大程度上的提高。比如，2018年，中国科学院大学黄辉教授研究团队设计并合成了两种具有非共价构象所结构的受体分子ERCN和ORCN（分子上的烷基链被烷氧基链取代）^[4]。研究人员随后测试了P3HT与这两种受体混合所得的新型OSC设备的性能，发现烷氧基链可以提高分子的HOMO和LUMO的能级，增强光吸收，并改善主链的刚性和电荷迁移率，调节分子取向和薄膜形态，促进J_SC、V_OC和FF协同增加，最终OSC设备的最大PCE值为6.6％。

图3:基于P3HT/TrBTIC有机太阳能电池

2019年，四川大学彭强教授研究团队刷新了基于P3HT的OSC效率的新记录，突破了8%。研究人员设计了以三聚茚为核，苯并噻二唑-氰基茚满二酮缺电基团作为端基，合成了全新受体小分子TrBTIC^[5]。具有高HOMO/LUMO（-5.56/3.62 eV）能级的TrBTIC（E_g^opt=1.80 eV）的中带隙与P3HT的大带隙（E_g^opt=1.9 eV，HOMO/LUMO=-5.0/3.1 eV）能够很好地匹配，并且改善了较长波长区域的光收集能力。研究发现，基于P3HT:TrBTIC的混合OSC溶液在老化40分钟后，活性层共混物达到了最优化的相分离形貌，从而有利于激子解离和电荷传输，最终的设备PCE达到了8.25%，这在目前看来仍然是很高的效率。

对于P3HT来说，尽管目前基于其所制备的OSC的效率不如基于PM6等热门聚合物给体材料。但是另一方面，P3HT的合成方法简单明了，易于大量生产，而且其最高最低空位分子轨道能级可以确保有效的电荷转移。目前，基于P3HT的大面积，卷对卷制造技术已经得到广泛开发，有极大希望成为商业化OSC的最佳给体材料。

参考文献：

[1] Science. 2002, 295, 2425-2427.

[2] Adv. Funct. Mater. 2003, 13, 85-88.

[3] Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 1617-1622.

[4] Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803012.

[5] Adv. Mater. 2019, 31, 1906045.

文献地址：

[1] https://doi.org/10.1126/science.1069156

[2] https://doi.org/10.1002/adfm.200390011

[3] https://doi.org/10.1002/adfm.200500211

[4] https://doi.org/10.1002/aenm.201803012

[5] https://doi.org/10.1002/adma.201906045

文中涉及材料：

P3HT（104934-50-1）