基于D-A-A型小分子给体，真空蒸镀太阳能电池效率超过9%

对于太阳能电池领域来说，最重要的评价参数莫过于光电转换效率（PCE）。对于新型的有机太阳能电池来说，光电转换效率已经迅速突破到了15%左右。有机太阳能电池的制造技术大体分为两种，其一是溶液加工，其二是真空蒸镀。相比于溶液加工型，真空蒸镀型的有机太阳能电池的光电转换效率却一直停滞不前。真空蒸镀的材料一般为D-A-A型结构，其棒状的分子结构可以导致较大的基态偶极矩，从而导致有序的π-π堆积并有利于分子间的电荷传输。另外，D-A-A的构型允许使用不同功能基团调整分子的共轭。

近日，美国密歇根大学的Stephen R. Forrest教授（点击查看介绍）与台湾大学的汪根欉（Ken-Tsung Wong）教授（点击查看介绍）等人合作，研究了三种真空蒸镀的D-A-A型小分子给体在高效有机光伏器件上的应用，并比较了给体的不同侧链对于器件光电性能的影响。

三种小分子给体antiBTDC、iBuBTDC、nBuBTDC（图1，其中antiBTDC的结构在作者团队之前的工作中已经报道过），结构区别仅在于具有不同的侧链：antiBTDC侧链为2-乙基己基，iBuBTDC侧链为异丁基，nBuBTDC的侧链为正丁基。不同的侧链烷基链的长度，对于分子结晶影响很大，较短的有利于结晶，但是溶解性会变差，不利于化学提纯。

图1. 分子结构及其原子分布。图片来源：Adv. Energy Mater.

三种给体的晶体堆积模型如图2所示。拥有不同烷基侧链的分子展现出了相似的分子间π-π堆积距离。antiBTDC在噻吩与苯并噻二唑夹角为8.8°，而iBuBTDC及nBuBTDC分别展现了更平的构型，其二面角分别为3.4°及2.0°。antiBTDC更长的烷基链使得相邻的两个π-π堆积间隔为12.3 Å，而iBuBTDC却堆积更紧密，其堆积距离为6.1 Å。

图2. 三种分子的晶体堆积。图片来源：Adv. Energy Mater.

三种分子的吸收轮廓（图3a）几乎没有变化，但是吸光系数有所差别，这可能归因于其分子的堆积不同。以三种分子为给体制备真空蒸镀太阳能电池器件，并检验它们的性能。由图3c及表1可以看出，基于iBuBTDC的器件性能最佳，而将iBuBTDC进一步升华后可以看出其性能会更加提高，其提高主要是来自于短路电流密度（J_sc）及填充因子（FF）的相应提高。这进一步说明真空蒸镀型有机太阳能电池对于材料纯度的要求非常高。

图3. a) 三种分子薄膜吸收图; b) 最优器件的外量子效率曲线; c) 最优器件的电流-电压曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

表1. 器件性能参数表。图片来源：Adv. Energy Mater.

此外，iBuBTDC更倾向于π-π堆积沿着基板垂直方向排列（图4），这样就有利于电荷在电极之间进行传输，从而也可以解释其短路电流及填充因子增加的现象。

图4. 二维GIWAX图及其切线图。图片来源：Adv. Energy Mater.

总之，研究者分析了侧链长度对于D-A-A型蒸镀小分子给体的薄膜特性及光伏性能的影响，发现在薄膜中不同侧链分子的π-π堆积距离其实并不相同，拥有更短烷基链的iBuBTDC的晶体堆积密度会更高，从而形成更大的薄膜密度。iBuBTDC也展现除了更大的面外π-π堆积排列，这有助于分子间的电荷传输，从而导致更大的短路电流及填充因子，所以基于此材料的器件效率可以接近10%。本论文进一步论证了分子设计中不同烷基侧链对于吸收、形貌等的影响，在后续材料设计中，通过引入不同烷基链来进行性能微调应该会成为常见的策略。

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）：

Donor-Acceptor-Acceptor's Molecules for Vacuum‐Deposited Organic Photovoltaics with Efficiency Exceeding 9%

Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703603

导师介绍

Stephen R. Forrest

http://www.x-mol.com/university/faculty/49509

汪根欉

http://www.x-mol.com/university/faculty/35082