Advanced Materials:不对称电子受体用于高效低能损有机光伏电池

有机光伏电池,受益于最近兴起的Y系列电子受体材料,光电转化效率快速提升到了17%以上。但是,较高的能量损失仍旧是限制有机光伏电池效率的主要因素之一。虽然通过缩小给受体之间的能级差,可以实现能损的降低,但这不可避免会影响电荷分离效率。因此,如何通过分子设计策略,在不牺牲电荷分离效率的前提下,实现能损降低,就显得至关重要。

在分子设计策略中,卤素原子由于具备多种功能,例如增加分子间相互作用、增大分子偶极矩和静电势、调节能级等,在改善有机材料光伏性能上起着重要作用。而且,有研究表明,卤素原子能够促进电致发光量子效率,从而降低非辐射能损。

基于上述背景,浙江大学陈红征课题组提出了一种新的分子设计思路,基于Y6分子的稠环核,将卤代茚二酮和卤代氰基茚酮分别作为两个末端,合成了两个不对称电子受体,BTP-S1(含四个氯原子和两个氟原子)和BTP-S2(含六个氯原子)。该类不对称电子受体在维持合适能级的基础上,可以轻易引入多达六个卤素原子,从而获得最大化卤素原子带来的好处。通过详细的能损分析,作者发现,含更多卤素原子的不对称电子受体,相较于对称的Y6,可以实现更强的电致发光量子效率,甚至实现数量级别的提升,从而有效降低非辐射能损。为了探究不对称体系低能损下的电荷分离情况,作者采用了瞬态吸收光谱证明,两个不对称电子受体,相较于对称的Y6,均能实现更快的给-受体间空穴转移速率,而在电子转移方面,三者均快速而有效。上述结果表明,该项研究的不对称电子受体可以同时兼顾低能损和高效的电荷分离。最终,经过优化,基于BTP-S2的二元有机光伏电池实现了16.37%的效率,高于基于Y6的二元有机光伏电池(15.79%)。

为了进一步提升光伏效率,结合BTP-S2在电压上的优势和Y6在电流上的优势,作者制备了基于PM6:Y6:BTP-S2共混膜的三元有机光伏电池。在20% BTP-S2含量的时候,三元有机光伏电池可以实现17.43%的效率,该效率是目前报道的单结有机光伏电池的最高值之一。值得注意的是,在10-50%的BTP-S2含量范围内,三元有机光伏电池均能实现超过17%的效率,说明了该三元体系对组分比例不敏感,也反映了Y6与BTP-S2之间良好的相容性。

该项研究为不对称电子受体材料提供了一种新的设计思路,并对解决低能损和高效电荷分离之间的矛盾给出了一种有效方案。相信不对称电子受体在未来会迎来更广泛的研究,从而助推有机光伏电池迈上新的台阶。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202001160)上,第一作者为李水兴博士后,占玲玲博士后为共同一作。瑞典林雪平大学张凤玲教授、浙江大学朱海明教授和香港中文大学路新慧教授分别在能损分析、瞬态吸收光谱测试和形貌表征方面提供了帮助。