【研究成果】開發三元高分子太陽能電池新材料-邁入量產的新里程碑

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  朱舢樺 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 由P6TI-1N1F材料製成的電池在不同異質接面厚度下的能量轉換效率

在永續發展的趨勢下,太陽能電池是再生能源的一大主力。相較於矽晶太陽能電池等無機太陽能電池,有機太陽能電池具有可彎曲、質量輕、成本低等特性。

三元高分子太陽能電池(Ternary Polymer Solar Cells)是一種有機太陽能電池,三元共聚高分子的p電子供體-p電子受體主鏈結構,是調控高分子光電物性、與富勒烯或非富勒烯電子受體材料互溶性的有效做法,對達到可實用的高效能單層異質接面高分子太陽能電池有很大的幫助。中研院化學研究所的陳錦地研究員團隊成功製備並詳盡的鑑定了五種高分子材料。令人驚艷的,當使用新材料作為三元高分子太陽能電池單層異質接面材料時,縱使厚度增加200奈米,電池的能量轉換效率僅出現微幅的下降,這在文獻報導的高分子太陽能電池中是甚為罕見的情形。此厚度的增加有利於高分子太陽能電池的量產製程。本研究於2023年4月刊登於國際期刊Chemical Engineering Journal。

三元共聚高分子材料的合成

研究工作首先從三元共聚高分子的合成開始,合成高分子的電子受體單體是雙噻吩取代異靛藍;電子供體單體是含有氟取代基的雙噻吩,或是含有腈取代基的雙噻吩。藉由一種受體單體與兩種供體單體不同混合的比例的調控,可以聚合出兩種二元共聚高分子與三種三元共聚高分子。

找出最優異的材料

接下來團隊將這五種高分子做詳盡的物性檢測,包括凝膠滲透成層析分子量、空間電荷限制電流電子與電洞遷移率、富勒烯電子受體材料PC71BM或非富勒烯IT4F(或Y6)混摻以及和PC71BM/IT4F跟PC71BM/Y6的三元混摻穿透式電子顯微鏡與掠入射X光廣角散射等等。研究發現P6TI-1N1F是表現最優秀的三元共聚高分子。

首先,P6TI-1N1F在五個高分子中有最接近於1的電子與電洞遷移率比值,也是具有最少價荷再結合的一個高分子。

以穿透式電子顯微鏡觀察,P6TI-1N1F與富勒烯PC71BM混合時的奈米尺度纖維粗細有利於高分子激子的拆解,最適合用在高分子太陽能電池。此外,P6TI-1N1F的纖維所構成的團聚是五種共聚高分子中較明顯的一個,最有利於高分子在太陽能電池中傳輸價荷。當把PC71BM換成非富勒烯IT4F,或是在三元混合體系中,都能維持優質的纖維粗細與團聚。

用掠入射X光廣角散射量測五個共聚高分子,發現P6TI-1N1F在混入PC71BM的前後都呈現出最高程度的面朝上下(face-on)水平層狀排列。此排列有助於入射太陽光的吸收,也有助於兩電極間價荷的傳輸。

異質接面厚度的突破

研究團隊也利用這五種共聚高分子來製作單層異質接面高分子太陽能電池並測試。在各種測試中,P6TI-1N1F的表現皆最為突出,有最高的填充因子(Fill Factor, FF)與最大的能量轉換效率(energy conversion efficiency, PCE)。接著利用此材料與富勒烯PC71BM和非富勒烯Y6或IT4F共同構成的三元高分子太陽能電池進行測試。令人驚艷的是,當太陽能電池單層異質接面厚度從100奈米增加至300奈米時,兩個三元高分子太陽能電池的PCE僅出現微幅的下降:14.5%降至14.0%(Y6元件,如圖1中白線)、12.7%降至12.4%(IT4F元件,如圖1中黃線)。這些太陽能電池的持久性和存放期限,與文獻中報導的其他同類型電池相比毫不遜色,但是文獻中有報導存放時間測試數據的電池,其厚度都沒有超過180奈米。高效率的高分子太陽能電池單層異質接面愈厚,對於量產製程愈有利,本研究為高分子太陽能電池的量產提供了新的展望。

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