JACS：极低能量损失、宽光学响应的有机太阳能电池

近十年来，体异质结有机太阳能电池（OSCs）已经被认为是进行光电转化的最有前景的技术之一。到目前为止，富勒烯体系的OSCs已经获得高达12%的器件效率；而基于非富勒烯体系的OSCs发展更为迅猛，器件效率高达13%。单晶硅太阳能电池的光吸收范围能达到1100 nm，然而已经报道的基于茚二噻吩（IDT）或茚二噻吩并噻吩（IDTT）的非富勒烯OSCs光吸收范围仅到850 nm左右。因此，科学家需要开发设计光吸收范围拓展到1000 nm并同时具有高效率的电子受体，不过这一任务并不简单，面对着很大的挑战。在减小带隙的同时，伴随着LUMO能级的下移以及HOMO能级的抬高，使得与给体材料的能级不匹配。精心调节能级以获得窄带隙的材料，一个有效方法就是提高分子内的电荷转移。而富电子芳香环由于易氧化以及易光分解，所以合成制备比较困难。

最近，华盛顿大学西雅图分校的Alex K.-Y. Jen教授（点击查看介绍）课题组合成了两个螯状的非富勒烯受体材料DTPC-IC和DTPC-DFIC（图1），这两个材料都含有富电子的环DTPC，并且具有较窄的带隙（约1.21 eV）。以DTPC-DFIC为受体，PTB7-Th为给体的器件获得高达10.21%的器件光电转换效率（PCE）。并且该器件的能量损失仅为0.45 eV。

图1. （a）DFT计算得到的不同核能级示意图；（b）受体材料结构式；（c）前线轨道的优化几何示意图以及轮廓图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者测试了薄膜的吸收光谱（如图2a），DTPC-IC和DTPC-DFIC在720 nm到970 nm表现出了很强的吸收。特别是DTPC-DFIC吸收边到1021 nm，从而计算得到带隙为1.21 eV。作者通过CV测试得到的能级如图2b所示。为了探究DTPC-IC和DTPC-DFIC的性能，作者制备了电池器件。从图2c可以看出，DTPC-OSCs在近红外区具有宽波谱相应，并且基于DTPC-DFIC的电池从500 nm到900 nm展现了60%的外量子效率（EQE），在650 nm时达到最大值69%。

图2. （a）PTB7-Th，DTPC-IC和DTPC-DFIC薄膜的吸收光谱；（b）HOMO和LUMO能级；（c）EQE曲线；（d）J-V曲线。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

从J-V曲线（图2d）以及表1中可以看出，作者通过加入DIO作为添加剂后PTB7-Th:DTPC-DFIC器件的短路电流密度（J_sc）和填充因子（FF）都有大幅提高，最终器件PCE高达10.21%，根据公式E_loss = E_g^opt– eV_OC，计算得到相应能量损失低至0.45 eV，是文献报道的高效OSCs（PCE > 7%）体系中的最低值。然而没有氟代的PTB7-Th:DTPC-IC器件效率仅为3.12%，效率的差距可能与电荷分离以及成膜形貌的不同有关。

表1. 器件光伏参数。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图3. （a）光学带隙与eV_OC关系图；（b）EQE最大值与能量损失关系图；（c）能量损失与效率关系示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

如图3所示，展示了基于本文新受体材料的能量损失与各个参数的关系。首先如图3a所示，本文报道的材料的能量损失是在迄今报道的最低值之一。低能量损失容易压制LUMO的差值，造成激子解离困难，从而影响到EQE，所以低能量损失却拥有较高的EQE是OPV领域一直寻求的目标。如图3b所示，本文报道的器件不仅能量损失低，而且EQE也是低能量损失的器件中非常高的。如图3c所示，本文所报道的器件不仅具有低能量损失，还具有较高的光电转换效率。

总之，本文作者设计合成了新型的非富勒烯受体材料，其光学响应可超过1000 nm，能量损失极低，同时EQE可以达到70%，还获得了大于10%的光电转换效率。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Dithienopicenocarbazole-Based Acceptors for Efficient Organic Solar Cells with Optoelectronic Response Over 1000 nm and an Extremely Low Energy Loss

Zhaoyang Yao, Xunfan Liao, Ke Gao, Francis Lin, Xiaobao Xu, Xueliang Shi, Lijian Zuo, Feng Liu, Yiwang Chen , Alex K.-Y. Jen

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 2054–2057. DOI: 10.1021/jacs.7b13239

导师介绍

Alex K.-Y. Jen

http://www.x-mol.com/university/faculty/1589