北航孙艳明,武汉理工王涛Small Structures: 非富勒烯受体聚集对有机太阳能电池性能影响

研究背景

激子分离和电荷传输是有机太阳能电池光电转换的两个重要过程。为了实现高的光电转换效率(PCE),激子有效的分离和电荷的快速传输是关键。活性层中给体和受体的聚集与这两个过程息息相关。小尺寸的聚集有利于激子扩散,不利于电荷传输;而大尺寸的聚集有利于电荷传输,不利于激子扩散。为了平衡的激子分离和电荷传输,活性层中给体和受体材料适度的聚集和相分离十分重要。

材料结构设计是一种有效地控制非富勒烯受体聚集的方法。非富勒烯受体的高平面性有利于形成紧密的分子堆叠,拓宽非富勒烯受体的核心单元可以增加分子的聚集。另一方面,端基和侧链工程也可影响非富勒烯受体的堆积和聚集。较大的端基或侧链会形成较大的空间位阻,从而阻止分子主链间的堆积,抑制材料的聚集。相反,在端基和侧链上引入非共价分子间相互作用,如C-H···O氢键、S···S相互作用等,可以促进分子聚集。

物理策略也是一种控制分子聚集的方法。选择合适的溶剂、使用溶剂添加剂、采用溶剂退火等方法都可以调控分子的聚集。更重要的是,许多光伏材料具有热响应特性,其聚集尺寸可以通过调节加工温度来实现,主要包括热退火、热溶液涂膜和热基底涂膜等。其中热退火是一种广泛应用的形貌控制方法,而热溶液和热基底涂膜只适用于少部分体系。

研究内容

北京航空航天大学孙艳明教授和武汉理工大学王涛教授等合成了新型非富勒烯受体材料,C10-IT4F,并深入研究了热退火 (TA) 和热溶液加工 (HS) 对该受体材料聚集响应的影响。TA方法诱导C10-IT4F分子形成多晶结构,使得吸收峰发生红移。当与PM7共混时,活性层形成大尺寸的多面体聚集,不利于激子的有效分离,最终器件PCE只有11%。而采用HS方法时,C10-IT4F的J-聚集方式得到了显著增强,在近红外区域(NIR) 产生了新的吸收峰,扩宽了活性层对光的捕获;当与PM7混合时,活性层形貌具有纳米级聚集和相分离,有利于激子分离和传输。最终,HS加工的器件PCE为14.2%,远高于TA加工的器件。这项工作表明NFA的聚集对有机太阳能电池的的性能有重要的影响。

论文信息:

Fine-Tuning Aggregation of Nonfullerene Acceptor Enables High-Efficiency Organic Solar Cells

Yuanpeng Xie, Linglong Ye, Yunhao Cai, Xue Zhang, Jinqiu Xu, Tao Wang*, Feng Liu, Yanming Sun*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100055

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/sstr.202100055