吡咯并吡咯二酮(DPP)小分子光伏材料设计策略的研究综述与展望

有机光伏电池(organic photovoltaics,OPV)以其柔性、轻质、可溶液加工和卷对卷连续印刷制备等诸多优点受到全球科学界和工业界的高度关注。随着有机光伏材料的不断开发、纳米结构表面、界面的有效调控以及大面积器件工艺的快速发展,目前有机光伏电池已经处于工业化的门槛阶段。有机太阳电池活性层中的给、受体材料属于关键材料,基本上决定了电池的性能,一直是OPV研究中的重点。在诸多的构筑单元中,吡咯并吡咯二酮(DPP)因其宽而强的吸收光谱,高迁移率,成膜性好,易于化学修饰与纯化等优点,被视作是设计合成高效有机光伏材料的理想选择之一,在OPV领域得到了广泛而深入的研究。以DPP为构筑单元,报道的有机光伏聚合物和小分子材料高达数百种,其应用也涵盖了给体材料和非富勒烯受体材料。

目前,就能量转换效率来说,已经报道的DPP基小分子给体材料可达到8%,而DPP基非富勒烯小分子受体可达5%。与其它种类的高效率小分子给体材料和近年来发展迅速的非DPP基小分子受体材料相比,还有较大差距。如何设计合成高效率的DPP基小分子给体或者受体材料,需要对DPP小分子光伏材料的结构-光电性质-光伏性能间的构效关系进行深入、系统地总结和分析。

am-zhouerjun

国家纳米科学中心周二军研究员和中国科学院化学研究所詹传郎研究员结合研究团队多年来的工作,在总结DPP基小分子光伏材料在有机太阳能电池中分别作为电子给、受体材料方面所取得的一系列成果,系统分析并阐述了DPP小分子光伏材料的结构-光电性质-光伏性能间的构效关系。该论文首先概述了DPP单元的合成与发展史以及DPP单体的光电性质。接着对DPP小分子材料进行了分类探讨,包括Single-DPP(只含有一个DPP构筑单元),Double-DPP(含有两个DPP构筑单元),Multi-DPP(含有多个DPP构筑单元),研究了它们作为电子给体或者受体材料在有机太阳电池中的应用。通过综合分析各类DPP小分子材料,对比了包括共轭骨架构筑单元、烷基侧链、端基基团等在内的不同结构因素,对能级带隙、光谱吸收、载流子迁移率、成膜性、给受体相互作用等材料性质的影响,提出了结构对于器件性能的影响因素与机制,为理性设计高效率的DPP小分子光伏材料提供了可供借鉴的设计思路。最后,该综述对DPP小分子光伏材料研究领域的瓶颈问题进行了探讨,并对未来研究方向和发展趋势进行了展望。该工作将有助于该领域的国内外同行快速了解DPP小分子光伏材料的研究进展、面临的挑战和机遇。

相关论文在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201600013)上。

Speak Your Mind