Small Methods: 基于苯并二噻唑单元的近红外受体用于高效有机太阳电池

近年来,得益于高性能非富勒烯受体的开发,有机太阳电池的光电能量转化效率获得了快速提升,认证的单结电池效率已经突破16%。同时获得大的电压和电流是实现高效率有机太阳电池的前提和基础,这一方面需要给体与受体之间形成良好的能级匹配,大幅抑制能量损失(材料带隙与开路电压的差值);另一方面,也要确保给/受体实现更宽的吸收光谱覆盖,将受体材料的吸收拓展到近红外区域,但是通过传统的增强分子内电荷转移的方法来拓展吸收,往往会导致HOMO能级的抬升,从而影响给体材料的选择与匹配。

针对上述问题,浙江大学高分子科学与工程学系的陈红征教授研究团队作了有益探索,相关研究结果以题为“Near-Infrared Nonfullerene Acceptors Based on Benzobis(thiazole) Unit for Efficient Organic Solar Cells with Low Energy Loss”的论文发表在Small Methods上。她们首次采用同时具备醌式效应和吸电子性的苯并二噻唑单元作为分子核心,设计合成了两种吸收带边拓宽至900 nm左右并具备较深HOMO能级的近红外非富勒烯受体X-PCIC和X1-PCIC。借助于模型化合物的单晶结构解析,证明了上述两种受体中存在有效的分子内S-N非共价键相互作用和分子间π-π堆积。然后,通过末端基团的调控,使两种近红外材料具备类似的吸收和能级,但是不同的J聚集强度。通过系统的器件性能和相关表征对比,发现具有更强J聚集行为的受体(X-PCIC),受益于优化的结晶度和改善的迁移率,可以在低能量损失的前提下,实现更强的光电流响应,最终,基于PBDB-T:X-PCIC的有机太阳电池,在0.53 eV的低能量损失下,实现了超过21 mA cm-2的短路电流以及11.50%的光电转化效率。此项研究对高效近红外受体材料的设计具有重要的参考和借鉴价值。

相关论文以“Near-Infrared Nonfullerene Acceptors Based on Benzobis(thiazole) Unit for Efficient Organic Solar Cells with Low Energy Loss”为题在线发表在Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201900531)。