精细调控小分子受体材料的能级获得超过12%能量转换效率的有机太阳能电池

可溶液处理的有机太阳能电池具有质量轻、柔性、可大面积制备和成本低等诸多优点受到学术界和工业界的广泛关注。近年来,基于非富勒烯受体材料的有机太阳能电池获得迅猛的发展,其中具有受体单元-给体单元-受体单元(A-D-A)结构的非富勒烯小分子受体材料由于其结构确定、能级易调控等优点发挥了重要的作用。南开大学陈永胜课题组在前期给体材料设计合成的工作中证明A-D-A型小分子给体材料的能级能够通过改变中间给体单元的给电子能力和末端受体单元的拉电子能力进行有效的调控。结合最近报道的诸多关于A-D-A型小分子受体材料的结果,该策略同样适用于设计不同能级的小分子受体材料。

陈永胜课题组在之前的工作中首次报道了基于苯并二噻吩的稠环单元的小分子受体材料NFBDT,并获得了超过10%的能量转换效率。对该材料的给体单元和受体单元进行优化可以有效的调控能级,从而获得更窄带隙的小分子受体材料,拓宽吸收光谱从而利于获得更高的短路电流密度。基于此,陈永胜课题组报道了一个新的A-D-A型的小分子受体NCBDT。帝国理工的Artem. A Bakulin团队和剑桥大学的Richard H Friend团队对材料体系的光物理过程进行了超快光谱分析。上海交通大学的刘烽教授对材料的微观结构进行二维掠入射X-射线表征分析。与NFBDT相比较,该受体材料的最高已占有轨道(HOMO)的能级升高,这主要是由于在NFBDT的中间单元引入了弱的烷基链给电子单元;同时最低未占有轨道(LUMO)的能级降低,是由于在NFBDT的末端单元引入了强的氟原子拉电子基团。通过精细结构优化的策略,NCBDT受体材料的光学带隙低至1.45 eV,其薄膜吸收范围拓展至近红外区域,与聚合物给体材料的吸收范围互补更好。与很多基于富勒烯体系的材料体系相比,减小活性层中受体材料和给体材料的HOMO能级的差值并没有影响材料体系中的光物理过程。对于两个受体材料器件当中的光物理过程,通过超快光谱研究观察到比较慢(~400 ps)但是有效的电荷产生进而有效的电荷提取过程。说明对该体系受体材料的能级调控并没有影响相关的光物理过程。更低的电荷分离的驱动力并没有影响电荷分离的过程,这为同时获得高的短路电流密度和低的开路电压损失提供了新的途径。因此,在维持相对高的开路电压的前提下,基于该受体材料的器件获得了超过20 mA cm2的短路电流密度以及超过12%的能量转换效率。通过能级调控优化给受体材料之间的HOMO以及LUMO能级差值,可以在增加吸收太阳光获得高电流的同时尽可能的降低开路电压损失。考虑到苯并二噻吩衍生物的化学结构的多样性以及该材料体系的光物理过程,通过对受体材料以及给体材料的进一步优化,可以获得能量损失更低的高效率有机太阳能电池。

相关文章在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201704904)上。

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