Advanced Materials:合理调控分子相互作用和能级匹配实现高效有机太阳能电池

有机光伏(OPV)的性能在过去几年中迅速增长。最近在材料设计方面的工作主要集中在开发具有广泛吸收的近红外非富勒烯受体,其与商业化的供体聚合物所匹配; 在拓宽材料近红外吸收的同时,需要综合考虑共混膜形态和能级对准对电荷分离效率的影响。 加州大学洛杉矶分校杨阳团队通过合理地考虑分子相互作用和能级对准来证明供体/受体共混物的选择规则,并且实现了使用双氟化或两种非氟化供体/受体共混物的高效OPV器件。凭借扩大的吸收,理想的形貌和有效的电荷转移,基于PBDB-T-F /Y1-4F (Y3)混合物和PBDB-T-F/Y6的器件分别表现出高达14.8%和15.9%的最高效率。这一成果发表在Advanced Materials 上,第一作者为UCLA的博士生王睿以及中南大学的袁俊博士。(DOI:10.1002/adma.201904215)

有机光伏由于其质量轻,柔性,可卷对卷生产等特性,成为潜在的代替化石能源的材料。然而,其相对较低的光电转换效率以及工作状态下的不稳定性成为了限制有机光伏商业化道路的阻碍。所以,合理的设计给受体材料去实现高性能有机太阳能电池需要同时实现最大的光谱吸收,有效的电荷拆分以及传输。在非富勒烯受体的端基引入氟原子是其中一个最有效的拓宽太阳光光谱吸收的手段,但是这样会导致能级的下移。与此同时,氟原子也会改变分子间相互作用力从而一定程度上影响活性层的形貌。因此,去合理地选择含氟给受体的组合,从而实现高效的有机太阳能电池,除了拓宽吸收之外也要考虑给受体的形貌以及能级的相互匹配。因此,加州大学的杨阳教授团队,设计并合成了一个吸收带边在953nm的新型非富勒烯受体Y1-4F(Y3)。为了系统地研究氟原子在活性层形貌和给受体能级之间的作用,从而可以给研究者提高一个普适性的给受体选择规则,选用了两个商业化的给体PBDB-T和PBDB-T-F以及三个受体:Y1,Y5和Y6作为研究对象。通过对分子间作用力以及能级匹配的调控,研究发现,并且发现了使用双氟化或两种非氟化供体/受体共混物可以实现高效率的OPV器件。凭借扩大的吸收,理想的形貌和有效的电荷转移,基于PBDB-T-F /Y1-4F (Y3)混合物和PBDB-T-F/Y6的器件分别表现出高达14.8%和15.9%的最高效率。