Solar RRL:基于P3HT的高效率有机太阳能电池非富勒烯小分子受体的设计合成及其器件的研究

聚合物太阳能电池相对于硅基太阳能电池来说,具有器件结构简单、重量轻、可低成本大规模制备等突出优点,引起学术界和工业界的广泛关注。P3HT(聚3-己基噻吩)做为一种经典的聚合物给体材料,对聚合物太阳能电池的发展起到了极大的推动作用。基于P3HT:PCBM的体相异质结(BHJ)电池得到了广泛的研究,但低的开路电压(~0.6)一直是限制其性能提高的关键因素。发展与P3HT相匹配的非富勒烯受体是改善有机太阳能电池性能的一种有效的手段。虽然多种非富勒烯受体材料已经被开发出来,并取得了极大的成功,但是与P3HT匹配的非富勒烯受体材料进展缓慢。

考虑到P3HT 合成简单,是现在唯一的合成产量在10kg以上的给体聚合物,非常适合应用于大面积打印的太阳能电池,此外,P3HT的结晶性可以通过热退火、溶剂退火以及加入添加剂等方法进行调节,方便器件活性层形貌的优化,提高太阳能电池的性能。因此,国家纳米科学中心的周二军课题组以P3HT作为主要的研究对象,在非富勒烯受体上做了一系列工作,旨在提升基于P3HT的聚合物电池的开路电压和能量转换效率。

他们首次把弱吸电子基团的苯并三氮唑(BTA)引入到D-A型小分子受体材料上,以绕丹宁作为封端基团,设计合成了小分子受体BTA1。基于P3HT:BTA1的电池器件获得了1.02V的开路电压和5.24%的能量转换效率(Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602269)。为了进一步的提高基于P3HT与小分子受体的电池的开路电压,他们进而首次引入弱吸电子的噻唑烷二酮(TD)到BTA小分子受体中作为端基,设计合成了小分子受体BTA2。基于P3HT:BTA2的电池器件获得了1.22V的开路电压,这也是基于P3HT的聚合物电池的最高电压(ACS Macro Lett. 2017, 6, 410.),上述结果对于理解P3HT太阳能电池的电压极限值具有重要的意义。

最近,他们利用强吸电子单元苯并噻二唑(BT)和弱吸电子单元噻唑烷二酮(TD),设计合成了新型具有较高LUMO能级的非富勒烯小分子受体材料(BT2, BT2b)。通过调节共轭骨架中心给电子单元的烷基链,器件优化等过程,制备出无需添加剂的基于P3HT:BT2b的光伏电池,器件获得了0.92V的Voc与6.08%的PCE的高性能。相关的结果发表在 Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700166)上。研究者相信,该研究对于新型小分子受体材料的开发具有重要的指导意义。该类基于P3HT与非富勒烯受体的有机光伏电池具有重大的应用潜力。

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