Advanced Functional Materials :合理设计聚合物给体与非富勒烯受体实现低能损、高效率的有机太阳能电池

聚合物有机太阳能电池因其低成本、柔性、可大面积制备等优势而备受关注。新材料和新器件工艺的发展使得其光电转换效率日益提升。非富勒烯受体材料的兴起推动有机太阳能电池的效率突破了16%,显示出巨大的应用前景。光电转换效率(PCE)与开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)和填充因子(FF)三者成正比关系。因此,要提高PCE就需要同时提高器件的Voc、Jsc和FF三个重要参数。为此,给受体材料的设计和器件工艺的研究都不容忽视。然而,器件的Voc和Jsc往往相互制约,降低能量损失(提高Voc)的同时又保证足够的电荷驱动力(提升Jsc)仍极具挑战性。尤其对于具有近红外吸收的非富勒烯受体材料,如IT-4F,IT-4Cl、Y6等,它们的最低未占轨道(LUMO)能级低至-4.1 eV。只有使用具有较低最高已占轨道(HOMO)能级的宽带隙聚合物给体材料,如PM6、PM7等与之搭配,才能在器件应用中获得超过0.8V 的Voc。但是,兼具高性能和低HOMO能级的宽带隙聚合物种类仍十分有限。所以,开发具有较高LUMO能级的受体材料与高性能兼具高HOMO能级的宽带隙聚合物给体匹配十分必要。

图1. 聚合物给体和小分子受体的设计思路与分子结构

近期,四川大学彭强教授团队报道了一个基于萘并二噻吩(NDT)的全新宽带隙聚合物给体PNDT-ST和噻吩取代的氰基茚满二酮为末端的小分子受体Y6-T(图1)。与目前广泛使用的苯并二噻吩(BDT)相比,NDT具有较大的刚性平面,从而使得PNDT-ST获得比PBDT-ST更高的结晶性,提高了载流子迁移率。另一方面,通过端基修饰合成的受体Y6-T与Y6相比,LUMO能级从-4.10 eV显著提升至-3.90 eV,使得两个聚合物有机太阳能电池的开路电压显著提升了0.15 V左右,光电转换效率也随之显著提升。PNDT-ST由于较强的结晶性,导致相分离尺寸较大,不利于电荷分离,器件的FF比PBDT-ST的略低,导致器件效率下降。将PBDT-ST、PNDT-ST、Y6-T三者共混,制备成三元共混器件,使得活性层保持较高结晶性的同时,可以进一步优化活性层的相分离,促进了激子分离与电荷传输,器件的PCE显著提升至16.57%,能量损失却仅有0.52 eV,这是目前PCE超过16%的有机太阳能电池能量损失的最低记录。该工作对于如何设计匹配性较好的给受体材料以及器件工艺优化具有指导意义。该成果以“Subtle Polymer Donor and Molecular Acceptor Design Enable Efficient Polymer Solar Cells with a Very Small Energy Loss”为题发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201907570)上。四川大学的徐小鹏博士、冯奎博士以及韩国高丽大学的Woung Woong Lee博士为论文的共同第一作者,四川大学彭强教授和韩国高丽大学的Han Young Woo为论文的通信作者。