氟化策略诱导高效率小分子太阳能电池给体材料

有机聚合物太阳能电池作为第三代太阳能电池,由于具有廉价、轻质、可溶液加工和大面积制备等优点,近年来受到科学界和产业界的广泛关注。相对于优先发展的聚合物太阳能电池,有机小分子太阳能电池更展现出潜在的产业化前景。有机小分子材料具有分子结构明确、纯度高和不存在批次问题等特点,使得其器件的重复性较好。目前,随着有机小分子材料设计理念的不断发展和高性能小分子给体材料的不断出现,有机小分子太阳能电池器件的效率已超过10%,赶上了聚合物太阳能电池的水平。但是小分子给体材料的种类相对较少,结构和性能之间的关系研究尚不系统,限制了有机小分子太阳能电池效率的进一步提升。因此,设计合成高效率的有机小分子给体材料仍然具有很大的挑战。

Advanced Electronic Materialspengqiang

最近,四川大学彭强课题组利用共轭侧链氟化策略,设计合成了一种以二维结构的氟代苯并二噻吩为中心骨架、三联噻吩为桥、绕丹宁为末端基团的A-π-D-π-A型小分子给体材料(DR3TBDTTF)。研究表明,氟原子的引入不仅降低了材料的HOMO能级水平,还诱导了跟氟原子相关的超分子弱相互作用,增强了分子间的聚集,提高了材料的载流子迁移率。相对于不含氟原子的相似结构的小分子材料(DR3TBDTT),DR3TBDTTF与富勒烯衍生物(PC71BM)共混活性层的电荷复合得到了有效的抑制。基于DR3TBDTTF所制备的正向器件,可以获得9.24%的高能量转换效率,此时的开路电压达到0.95伏,填充因子也高达71.1%。通过溶剂退火工艺处理活性层,共混膜的形貌得到明显的改善,得益于其短路电流和填充因子的进一步提高,能量转换效率可提升到9.8%。此项研究表明,仅仅通过中心骨架上微小的改变(引入氟原子)就可能实现有机小分子材料光伏性能的大幅提升,为高效率有机小分子给体材料的发展提供了一种简单、有效和可行的分子结构设计策略。相关结果发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201600061)上。

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