携帯電話の画面、建物のファサード、さらにはテントでさえも簡単に発電できる未来を想像してみてください。{0}これはポリマー太陽電池（PSC）の計り知れない可能性によって可能になりました。従来のシリコン-ベースのソーラー パネルと比較して、PSC は軽量で柔軟性があり、大面積デバイス製造用のソリューション印刷可能-である-という独自の利点を備えており、新エネルギー分野の新星となっています。しかし、商業応用を達成するための中心的なボトルネックは、光電変換効率（PCE）の向上にあります。過去 10 年間で、PCE は約 1% から 11% 以上に急上昇しました。その背後にある重要な原動力の 1 つは、高性能ポリマー太陽光発電材料の設計と最適化です。-
1. ポリチオフェンから D-A コポリマーまで
初期の研究は P3HT などのポリチオフェン ホモポリマーに焦点を当てていましたが、その狭い吸収スペクトルと高い HOMO レベルにより効率が制限されました。研究者らは分子設計を通じてこの限界を突破しました。たとえば、ポリチオフェンにビスチオフェン エチレンなどの二次元共役分岐を導入すると、吸収スペクトルが広がっただけでなく、HOMO 準位が約 0.2 eV 低下し、デバイスの開路電圧と短絡電流が大幅に改善され、効率が 2.41% から 3.18% に増加しました。-別の戦略は、アルキル鎖の数を減らし、エステル基などの電子求引基を導入することです。これにより、HOMO エネルギーレベルを効果的に低下させ、Voc (例: PDGBT が 0.91 V に達する) と効率 (7.2%) を大幅に改善できます。
2. ベンゾジチオフェン (BDT)
真に革命的な進歩は、ドナー-アクセプター（D-A）交互共重合体構造から生まれました。中でも、ベンゾジチオフェン (BDT) ユニットは、共役面が大きく、移動度が高く、構造修飾が容易であるため、際立っていました。 2008 年、Hou Jianhui 研究者は、Yang の研究グループの D-A ポリマー設計における BDT の使用を先駆的に開始しました。その後、BDT とチオフェン[3,4-b]チオフェン (TT) の組み合わせが、高性能材料の黄金の組み合わせとなりました。
BDT のようなポリマーの可能性をさらに探求するには、二次元共役分岐とフッ素化戦略を採用できます。{0}{1}
BDT ユニットに 2- 次元の共役分岐を導入すると、分子の π- 電子共役領域が大幅に拡大します。これにより、分子間相互作用と電荷輸送能力が強化されるだけでなく、吸収スペクトルと分子エネルギーレベルも効果的に調整されます。たとえば、10% を超える効率のブレークスルーを達成した PBDTTT-C-T、PTB7-Th、およびその後の PBDT-TS1 はすべてこの設計の恩恵を受けています。
電子求引性の強いフッ素原子を BDT の側鎖または TT アクセプター ユニットに選択的に導入すると、ポリマーの HOMO エネルギー レベルが相乗的かつ大幅に低下し、デバイスの開路電圧が大幅に向上します。- PBT-OF から PBT-3F まで、フッ素原子の数が増加するにつれて、Voc は 0.56 V から 0.78 V に増加し、効率は 4.5% から 8.6% に跳ね上がります。
3. 形態制御
高性能は材料自体だけでなく、活性層内のドナー/アクセプタ混合物によって形成されるバルクヘテロ接合の微細構造にも依存します。形態は適切である必要があります。位相領域が大きすぎると、励起子は分離する前に再結合してしまいます。位相領域が小さすぎると、自由電荷も簡単に再結合します。研究者たちは、ポリマーブレンドを制御するための 2 つのアプローチを検討しました。
グリーン溶媒処理: 有毒なハロゲン化溶媒を避けるために、研究者らはオキシレンやオルメチルアニソール（MA）などのグリーン溶媒を特定の添加剤（NMPなど）と組み合わせて使用することを検討し、ハロゲン化溶媒系と同様の優れた形態を再現し、10%近くの高効率を達成することに成功しました。
分子構造の最適化: ポリマー主鎖をより直線的にするように設計したり、共役面積を増やしたり、アルキル側鎖を微調整したりすることで、ポリマーの結晶性と分子充填を積極的に制御し、理想的なブレンド形態を得ることができます。
グリーンエネルギーの重要な要素として、ポリマー太陽光発電材料は、その独自の特性と利点によりエネルギー変革のトレンドをリードしています。継続的な技術の進歩と市場の拡大により、ポリマー太陽電池材料は将来さらに幅広い応用の見通しと巨大な市場の可能性を示すでしょう。ポリマー太陽光発電材料が、よりクリーンで、より効率的で、持続可能なエネルギーソリューションを人間社会にもたらすことを楽しみにしましょう。
