小分子给体材料π骨架终端上的芳香/烷基单元可以显著地影响有机太阳电池的电性能

当前经济的持续发展,能源消耗直线上升。而化石能源的大量消费所带来的环境污染问题也日趋严重,这推动着可再生能源的开发利用,其中,绿色、清洁、丰富的太阳能得到了广泛关注。有机小分子给体材料是有机太阳电池光活性层的关键吸光材料之一,设计合成高效率的有机小分子给体材料是获得电池性能提升的有效手段之一。组成小分子π-共轭骨架的电子给受体单元的结构及其给吸电子性质、电子给受体单元间的桥联方式、桥联单元的结构以及烷基侧链等,均可以有效地调节有机小分子给体材料的光电性质及电池的电性能。然而,在给受体材料共混膜中,小分子给体材料的π-共轭骨架上的端基单元有可能决定了给受体分子间的相互作用方式和强弱,因此,完全可能显著地影响电池的电性能。遗憾的是,尽管π-共轭骨架上的端基单元已经自觉或不自觉地被应用于有机小分子材料的设计中,但是,它们是如何影响电池的电性能的?这一点,却很少被研究,还很不清楚。

针对这一问题,中国科学院化学所詹传郎研究员-姚所建年院士课题组,以噻吩吡咯并吡咯二酮——苯并二噻吩——噻吩吡咯并吡咯二酮(DPP-BDT-DPP)的π-共轭骨架为分子模型,在其两端共价连接非烷基、给电子的二苯胺单元,或者共价偶联正丁基单元,得到了只是π-共轭骨架端基单元不同的两个给体分子。研究表明,与正丁基封端的分子相比,二苯胺封端的给体分子不仅可以增强材料的吸光性能,更可以显著改善给体材料与受体材料PC71BM间的相容性,两者结合,给出了更高的光生自由载流子浓度以及高出近2倍的短路电流密度。相关工作发表在Advanced Energy Materials上。

这个结果清楚地表明,有机小分子给体材料π-共轭骨架终端上的芳香或烷基单元对有机太阳电池的电性能有显著影响,在高性能有机小分子给体材料的分子设计中有必要综合考虑。Untitled