侧链影响有机半导体受体分子取向:具有400 nm以上厚活性层的高性能非富勒烯聚合物太阳能电池

和传统的富勒烯小分子受体(PC61BM和PC71BM)相比,以ITIC为代表的新型A-D-A型有机半导体小分子受体具有吸收宽,能级可调,结晶性能适中和结构易修饰等特点,对于实现低成本高效率的有机太阳能电池来说有着十分重要的意义。目前,大部分有机半导体小分子受体的工作集中于发展中心核 (D) 和末端基团 (A),从而有效地调谐有机半导体受体的带隙和能级。相对而言,受体侧链的研究则相对较少。与中心核和末端基团的相比,“侧链工程”策略不仅可以避免耗时的合成,更提供了一种研究结构与性能之间关系的直观方法。受体侧链的结构修饰,例如长度,位置,对称性和维度的变化均可以显著影响分子堆积和分子间相互作用。

近日,武汉大学杨楚罗教授课题组和中科院化学所李永舫院士课题组合作报道了两个不同侧链的小分子受体 (IDTCN 和IDTPC)。与侧链为4-己基苯基的IDTCN相比,侧链为正己基的IDTPC有着更高的迁移率,更好的面面分子堆积和更小的带隙。PTQ10:IDTPC为活性层的聚合物太阳能电池实现了12.2%的能量转化效率, 与基于IDTCN的器件相比,能量转化效率获得了近65%的提高。

图1:PTQ10:IDTPC器件的光伏参数: a) VOC 和 JSC, b) FF 和 PCE 在不同活性层厚度情况下。

更重要的是,除了高的效率, 膜厚不敏感的特性对于实现大面积制备太阳能电池也是至关重要的。即使在分子设计策略和器件优化的共同帮助下,在膜厚大于400 nm时实现超过10%的能量转化效率也是一种挑战。 在该工作中, 基于IDTPC的器件展现了膜厚从70到505 nm不敏感的特性,在膜厚为400 nm时仍然具有超过10%的能量转化效率 (图1)。 据我们所知,10%的能量转化效率是基于活性层厚度超过400 nm 的聚合物太阳能电池的最高值之一。 该文章发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201800856) 上。