Solar RRL:有机光伏电池:梯形非富勒烯电子受体的同分异构效应

有机光伏电池的能量转化效率目前可以高达12%,这部分归功于非富勒烯受体的发展。为了克服富勒烯受体的一些缺陷,科学家们做出了很大的努力来发展非富勒烯受体,但是目前可以通过结构-性能的分析来预测非富勒烯受体的器件性能,还是非常缺乏。而同分异构现象在控制电子结构,分子堆积,以及器件性能方面,起了很大的作用,因为它们可以决定分子骨架的共轭程度。尽管同分异构的受体分子结构类似,但是它们的电子结构以及晶体结构,都非常不同。比如,共轭骨架中对称和非对称的构型对与分子序列,偶极的方向,和光伏电池的效率,都产生了巨大的差异。

苏州大学功能纳米与软物质研究院的廖良生教授,李永玺博士,蒋佐权副教授,上海交通大学的刘烽研究员,和美国密歇根大学的Stephan Forrest教授通过实验设计了两种同分异构的受体分子IT-IC  和BDT-IC,并合成了这两种分子,测量了BDT-IC相对于IT-IC更高的迁移率,以及薄膜更好的有序度。当受体分子跟大带隙的高分子给体分子结合后,测量了有机光伏电池的极高效率PCE=10.5 ±0.4%。

苏州大学功能纳米与软物质研究院的徐来副教授针对这一问题利用密度泛函理论对设计的两种同分异构的受体分子进行了结构-性能的计算:通过计算电子重组能,HOMO-LUMO轨道分析,从计算结果进行结构-性能的深刻分析,探索了在同分异构的受体分子中,不同的电子结构对于电荷转移,以及轨道相互作用产生的电子耦合,对于分子层次的显著影响。理论计算结果解释了所设计有机光伏电池极高的能量转化效率。

在所设计的两种同分异构的受体梯形分子IT-IC  和BDT-IC中,它们具有平面的共轭结构,并且它们的核心结构相同,都具有四个线性的稠环噻吩,两个环戊二烯,和一个苯环。研究发现了两种受体分子的HOMO和LUMO的电子密度的不同。IT-IC中原子轨道之间的反键作用避免了相邻分子的重叠,因此导致了固态的无序性。相反,BDT-IC有更高的电子密度,和更加紧实的晶体堆积,导致了更强的分子内以及分子间的电荷转移,以及更低的能带宽度。另外,BDT-IC中改进的有序度,加上具有大的能带宽度给体高分子, 导致了有机光伏电池极高的能量转换效率: PCE=10.5 ±0.4%. 这是目前所得到的最高能量转换效率。另外,这篇研究中的亮点是从结构-性能的相互关系,深刻加深了人们对于梯形受体分子结构的理解。相关结果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700107)上。

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