Solar RRL:基于新型封端基团的小分子受体材料的高效率太阳能电池

随着化石能源的逐渐枯竭和人类环保意识的提高,如何取得可持续发展的清洁能源成为摆在人类社会面前的重大问题。太阳能作为一种总量巨大且覆盖范围广的能源,有非常大的潜力成为未来的主流清洁能源。有机太阳能电池和传统无机太阳能电池相比具有成本低,质量轻,可溶剂加工和可制备柔性器件等优点,近年来得到了学术界和工业界的广泛重视。为提高有机太阳能电池的能量转换效率,Alan J. Heeger在1995年提出了体异质结的概念。通过将电子给体材料和电子受体材料共混制备光吸收层,使得两种材料之间的界面大大增加,有利于激子(电子-空穴对)在界面处发生分离,改善了电荷的传输,从而使有机太阳能电池能量转换效率获得了突破。富勒烯衍生物(如PCBM等)具有很高的电子迁移率且具有三维电子传输的特性,是常用的电子受体材料。但是,富勒烯衍生物也存在一些缺点,如吸收光谱不在可见光区,难以调节电子能级和制备纯化成本高等。非富勒烯受体分子结构由有机分子构筑模块组合而成,分子性质易于调节,具有易于制备,在可见光区吸收有较宽较强的吸收,分子能级可调等优点。2015年,北京大学占肖卫课题组在《Advanced Materials》上发表了一种非富勒烯小分子受体材料ITIC。基于ITIC与电子给体材料PTB7-Th的有机太阳能电池获得了6.8%的能量转化效率。ITIC的出现引发了非富勒烯小分子受体研究热潮。但是,原来文献报道主要关注在ITIC分子的给电子核结构或π桥上,仅有非常少的文献报道了对ITIC封端吸电子基团的研究。

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最近,武汉大学化学与分子科学学院杨楚罗教授课题组、北京航空航天大学孙艳明教授课题组和上海交通大学刘烽教授课题组合作完成了一种新型非富勒烯小分子受体ITCPTC的设计合成、器件制备和形貌表征。ITCPTC是基于新型封端基团CPTCN的小分子受体材料,是由将ITIC的封端吸电子基团INCN的苯环替换为噻吩改造而来。物理性质方面,ITCPTC显示出了比ITIC更红移的吸收光谱和更大的摩尔消光系数,而电子能级相比ITIC都相对较低。器件性能方面,基于电子给体材料PBT1-EH与ITCPTC的有机太阳能电池显示出了较大的的开路电压(0.95 V),较大的短路电流(16.5 mA cm−2)和很高的填充因子(75.1%),能量转换效率达到了11.8%,是有机太阳能电池能量转换效率的最高值之一。相对于基于ITIC的对照组器件(开路电压0.99 V, 短路电流15.7 mA cm−2, 填充因子63.4%, 能量转换效率9.8%)能量转换效率提高了约20%。为了探究其填充因子较高的原因,从载流子迁移率、饱和光电流和光照强度-光电流强度关系三个角度进行了研究。结果表明,基于ITCPTC的有机太阳能电池具有更高且更平衡的载流子迁移率,更高的载流子传输和收集效率。值得一提的是,对小分子受体材料的封端基团进行改造不仅影响分子本身的电子性质,也会影响分子的结晶性和堆积性质。从基于同步辐射光源的掠入射X射线衍射(GIXD)以及共振软X射线衍射(RsoXS)等测试结果可以看出,ITCPTC在体异质结中的分子堆积具有更多的无定形成分,相分离尺度较大且相纯度更高,在退火过程中可以得到更好的活性层形貌从而得到更高的能量转换效率。这项研究提供了一种可以用于构筑非富勒烯受体的封端吸电子单元,扩展了非富勒烯受体的种类,同时也证明了非富勒烯小分子受体的封端结构的改造对其分子堆积性质有很大影响。这些结果为实现更高效率的有机太阳能电池提供了新的思路。相关工作已经发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201700044)上。

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