高分子专业英语文献翻译

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光明的未来——功能转换效率为7.4%的本体异质结型聚合物太阳能电池
太阳是个还没被完全利用的最大的碳中性能源。

然而太阳能电池装置是基于无机半导体去有效地获得收获太阳能的，这些转换的设备成本太高以至于在经济上是不可行。

这便是有机光伏（OPV）材料和器件的开发的主要动机，可以设想到去展示的优点有例如成本低，柔软性和丰富可用性。

在有机光伏器件将成为无机对应物的一个重要的替代品上，过去在有机发光二极管上的成功为科学家提供了信心。

OPV技术优势的核心是制造的简易化，这些在超低成本制造工艺上非常有前景。

举个简单的例子，尚未成功的的技术是以给电子性的半导体聚合物和吸电子性的富勒烯作为活性层组成的BHJ太阳能电池。

复合材料的活性层可以大面积的由一个单一的步骤进行制备，使用的技术有如旋涂，喷墨印刷，喷涂，凹版涂布，辊铸造等。

最近的报道称，在过去的十五年，聚合物BHJ太阳能电池PCE的提高已经取得一个显著的进步，并且实现效率已经从1995年少于1%的PPV系统发展到了2005年4—5%的P3HT系统，实现效率达到了6%。

然而，聚合物太阳能电池仍比其无机同行，如硅，CdTe和CIGS的效率低，而这就阻碍了它在实际应用中的比例。

有许多因素限制了BHJ太阳能电池的性能。

其中，材料活性层的特性是聚合物太阳能电池总体性能中最为决定性的因素。

理想情况下，聚合物应该在太阳光谱中具有较宽的吸收，以保证太阳光子和电荷传输高电荷载流子迁移率的有效获得。

另外，适用能量水平的聚合物需要有相匹配的的富勒烯。

该聚合物应具有低的HOMO能量水平以提供一个较大的开路电压(V oc)和一个合适的LUMO能量水平以提供足够的电荷分离的偏移。

此外，该活性复合层的形态起着非常重要的作用。

最重要是，域宽度大约两倍的双连续网络的激子扩散长度和高的供体的电子给体/电子受体在界面上的形成，有利于对所分离的电荷以各个电极的激子解离和运输。

大多数迄今为止所报道聚合物都很不理想，
它们难以满足所有这些要求。

我们已经开发了一系列新的基于交替噻吩[3,4-B]并噻吩和苯并二噻吩单元的半导体聚合物。

这些聚合物显示的性能的协同效作用导致了优异的光电效应。

噻吩[3,4-B]并噻吩稳定的醌型结构导致1.6电子伏特的聚合物的低能带隙在太阳光谱（约700nm）极大的光子通量的区域中表现出高效吸收。

所述刚性支柱造成聚合物的良好的空穴迁移率，并且使酯侧链和苯并二噻吩在有机溶液和合适的混溶性的富勒烯受体具有良好的溶解性。

加入氟的噻吩[3,4-b]并噻吩提供的聚合物具有相对低的地势中最高占据分子轨道（HOMO）能级，它提供了增强的Voc。

聚合物链中被发现被堆叠在由掠入射广角X射线散射的研究中面朝下的构象在基片上。

这是由在充分研究的P3HT的太阳能电池系统中的聚合物取向非常不同的，并且有利于电荷输送。

噻吩[3,4-b]并噻吩和苯并二噻吩聚合物（PTBs）的所有这些优点使得它们成为BHJ聚合物/富勒烯太阳能电池的应用的良好候选，而且从一个PTB4/ PC61 BM的原型设备中PCE已经达到了6.1％。

经过广泛的结构优化，我们进一步开发出PTB家族中的新聚合物PTB7，表现出了优异的光电效应约7.4％的PCE已从PTB7取得/ PC71BM（参照图1中的PC 71BM?phenyl-C71- 丁酸甲基酯）太阳能电池装置，这是第一个呈现出PCE超过7％的聚合物太阳能电池。

在此，我们介绍了我们系统地研究的这个新聚合物的光伏性能。

结果表明着这是一个有着巨大的潜力和光明未来的高分子太阳能电池。

PTB7的结构示于图1a中。

该分支侧链中的酯和苯并二噻吩呈现在有机溶剂中的聚合物具有良好的溶解性的。

PTB7的重均分子量（M w）在多分散性指数（PDI）为2.1时是97.5kDa。

PTB7的HOMO和LUMO能级是通过循环伏安法（CV）测得的。

这是以二茂铁在-5.15eV和-3.31eV 下校准的（见支持信息）。

虽然侧链支化的，但是所述PTB7具有相对高的空穴迁移率，从空间电荷限制的电流测量值（SCLC）模型测得约5.8x10 ?4cm2 V ?1.S ?1（见支持信息）。

纯PTB7膜的吸收光谱示如图1b所示。

该聚合物从550到750纳米显示了较强的吸收。

然而，从300到500nm的吸收相对较弱。

以补偿
PTB7的吸收，PC71的BM具有在可见光范围内的强吸收，所以被用作受体。

由此产生的PTB7/ PC71 BM-共混膜从300至约800纳米表现出强的吸收。

太阳能电池的性能是功能性组合物。

我们第一次研究该由邻二氯苯（DCB）旋涂的PTB7/ PC71BM系统，以优化供体/受体（D / A）比。

表1显示/重量等级相同的旋涂条件（已优化），这导致大约100nm的膜厚度下对太阳能电池性能的影响。

最初的测试结果表明，该设备用1：1.5重量比的显示时，表现出了与13.56mAcm-2的平均短路电流（Jsc）的最佳性能，加入的59.23％因子（FF）之后导致了PCE达到6.02％。

Voc已增加至0.75V时的分子设计，它代表了之前我们达到了原PTB1（0.58V）系统中的34％的预期。

平均PCE典型地来自于12个设备。

这三个D / A（重量）比值的最佳效率分别是5.74％（1：1），6.22％（1：1.5），和5.58％（1：2）。

在太阳能电池的性能的基础上，一个PTB7/PC71 BM-共混物膜的使用比用混合溶剂中制备的薄膜进一步增强。

一种混合溶剂的方法已被证明是有效的几个聚合物太阳能电池系统，包括经典的P3HT以及一些高效率的低带隙聚合物。

在PTB7系统的初步研究表明，PTB7/ PC71 BM-共混膜制备使得填充系数从二氯苯的混合溶剂（DCB）/1,8-二碘辛烷（DIO）（97％：3体积％）的60.25%增加了至68.9％。

图2显示了混合溶剂的聚合物太阳能电池性能的影响，数据汇总于表2所示。

Jsc的提高是比较小的，只有0.14mAcm-2的增量。

PCE从6.22％上升到7.18％。

然而，如果氯苯（CB）被用作溶剂，10.2mAcm-2的低电流密度，以及50.52％的低填充因子，我们观察到，这显示出3.92％的PCE。

这一现象表明，溶剂影响聚合物填料。

用3％的DIO混合到溶剂中，所得共混物膜的太阳能电池。

Jsc被显著增加到14.5mAcm-2。

同时，填充系数也增加了69％。

它们共同作用导致了7.40％的能量转换效率，这是迄今为止所报道的聚合物太阳能电池的最佳效果。

光电性能的显着提高是通过在共混物膜的形态的变化而引起的。

透射电子显微镜（TEM）图像（图3）清楚地表明，在从CB制备的共
混物薄膜中有大面积（直径为约100-200纳米）的使用，这将减少激子迁移到施主/受主界面以及不利于电荷分离。

从CB / DIO制备共混物膜的形态是均匀得多，也没有大的相分离，可见PTB7、PC71BM 和形成互穿网络之间有着良好混溶性。

基于OPV目前的理解，提高形态应该导致FF和Jsc的增加。

以CB:DIO和DCB:CIO设备作为溶剂的冠军细胞的外部量子效率(EQE)曲线如图4a所示。

这两款设备都显示，光转化效率在400和700nm处都有50％以上的EQE值。

在CB：DIO设备中，在630nm 处的最大EQE值为68.1%。

这代表了所公开文献中的低带隙共轭聚合物系统中有机太阳能电池最高的EQE值之一。

在DCB:DIO设备中的最大EQE值也高，在620nm处它达到了66.6%。

这些测量是相当准确的，如进一步检查过的带AM1.5G太阳光谱积分的EQE 值。

冠军CB：DIO设备计算出的Jsc值是14.16mAcm-2对比检测到的14.5mAcm -2的Jsc值，它代表2.3%的误差。

对DCB:DI设备进行相同的步骤，13.99mAcm-2的计算Jsc值相比于测量
值只有1%的误差。

表2示出了设备的参数以及计算和测量Jsc值和它们的误差。

我们进一步估算这些细胞的内部量子效率（EQE）。

图4b是那些用于冠军细胞(CB:DIO 和 DCB:DIO)的相同条件下的溶于薄膜涂层的单程吸收曲线。

吸收仅表示膜的吸收。

该估计是基于下面的简单事实和假设:i)4％的光损失，在空气（n=1）中/玻璃表面（n=1.5），b) 金属被认为是一个完美的镜子,即气相防锈膜吸收了两次，以及c) 在实际设备中忽略玻璃，氧化铟锡（ITO）和聚（3,4-亚乙二氧基）：聚（苯乙烯磺酸）PEDOT：PSS的吸收。

因此实际上IQE值被没低估了。

DCB:DIO和 CB:DIO的冠军细胞的IQE估值如图4c所示。

在CB:DIO 冠军细胞中，IQE光谱在宽至420到660nm的范围内示出了一个非常高的超过90%的值。

最大IQE值达到了92%。

IQE数据的宽和高明确证明新聚合物系统的质量非常高。

在这个系统中，激子解离、供体和受体网络中的电荷传输以及有机/电极界面的电荷提取和电荷提取都非常接近100％。

这些事实意味着共混膜的形态接近与理想供体和受体
的纳米级互穿网。

进一步调查正在进行新系统的形态解码。

在DCB：DIO系统中的IQE值比最高值为83.2%的CB:DIO系统低大约10%。

然而，在DCB:DIO系统中我们确实观察到一个四氯乙烯弱厚度依赖，这可能意味着更高的IQE值。

认证实验是在不远的将来进行，进一步的结果将公布出来。

综上所述，我们已经成功地开发出新的优良半导体聚合物PTB7。

基于所述BHJ太阳能电池混合PTB7的电影与PC71BM表现出效率达到7.4％，这是第一个示出的四氯乙烯超过7％的聚合物太阳能电池系统。

从这种太阳能电池得到两者的EQE和IQE 都非常高。

这意味着太阳能的收获非常高效。

结果证实，噻吩[3,4-B]并噻吩聚合物是有希望开发高性能聚合物太阳能电池的一类材料。

实验
聚合物PTB7根据先前报道的方法[5a]合成。

对于PTB7的光电特性进行了研究从ITO/ PEDOT的组织上：PSS/polymer (PC 71 BM)/Ca/Al进行了研究。

ITO膜的玻璃基板（15Ω-1）依次在水、丙酮和异丙醇中进行15分钟超声清洗，随后置于烘箱中烘干数小时。

将一薄层（~30nm）的PEDOT:PSS (Baytron P VP A1 4083) 旋涂在经紫外线臭氧等离子体15分钟预处理过的清洁的ITO表面。

由于PEDOT：PSS的横向导电率，低导电PEDOT：PSS 被选择从器件区域中将测量误差最小化。

之后在120℃下被烘烤约20分钟，此时基片被转移成含氮的由活性层涂层和电极形成手套式操作箱（<0.1ppm的O 2和H2 O）。

然后该装置在手套式操作箱中密封后的空气中进行测试。

显微镜观察下器件区域被确定为长约10.0平方毫米。

该薄膜的厚度的用DekTek II表面光度仪测定。

电流密度- 电压（J-V）的曲线是使用Keithley2400源测量单元测量的。

光电流是在AM 1.5G照度每100 mW cm2的纽波特热凸肚91192 1000 W太阳能模拟器（4英寸×4英寸光束尺寸）下测量得到的。

光强度是由一个单硅检测器（KG-5可见彩色滤波器）来确定的，这台仪器是由美国国家可再生能源实验室（NREL）校准以减小光谱失配。

收集的EQE数据之后，我们根据标准程序[15]，使用了一个标准AM1.5G光谱，一个凸窗太阳模拟器
（1.5G的滤波器）的频谱，并且两个参考单元的EQE数据和测试过的聚合物太阳能电池来计算光谱失配因子。

然后用0.96不匹配因数去获得正确JSC和功率转换效率。

EQE测试是使用的是PV测试公司（博尔德，科罗拉多）的EQE系统（型号QEX7）。

收集完EQE的数据后，这个软件也结合了AM1.5G 光谱和报告计算J sc价值，这样有用于检查测量的精确度。

我们比较了从EQE中导出的?SC和从我们冠军细胞测试的J-V中的光谱失配校正?SC。

对于确定装置效率的实验程序的细节在支持信息中已经给出。