新受体促进有机太阳能电池开路电压与短路电流同时提高

有机太阳能电池可以集成到柔性器件，在未来可穿戴设备及医疗设备中具有巨大的应用潜力。目前，有机太阳能电池多数使用富勒烯衍生物作为受体材料，因为它们呈现出较好的电子亲和力、快速及各向同性的电子传输。但是，富勒烯的一元加成衍生物，例如PC₆₁BM或者PC₇₁BM有几个明显的短板，包括吸收较弱、能级不可调、形貌稳定性较差以及光化学不稳定。尽管许多不同的高效p型聚合物为PCBM体系专门合成出来，富勒烯的天然不足却阻碍了有机光伏的进一步发展。A-D-A型的非富勒烯小分子为有机太阳能电池的发展注入了新的活力，这类小分子的成功主要是由于其刚性且共平面的核，这可以扩展分子有效共轭长度而且可以促进分子间相互作用，从而可以提高电荷迁移率及光子捕捉。但是，同时获得较大的开路电压（V_oc）及较高的短路电流密度（J_sc）仍然是一大挑战。

为了进一步同时提高开路电压与短路电流密度，对受体部分缺电子强度的调节是最有希望及有效的方式。台湾交通大学郑彦如（Yen-Ju Cheng）教授（点击查看介绍）等研究者开发了一种新型噻吩并[3,2-b] 噻吩基受体材料，TTC连接在一个七环梯状核（BDCPDT）上得到n-型BDCPDT-TTC。与基于PBDB-T:BDCPDT-IC的太阳能电池装置相比，基于BDCPDT-TTC:PBDB-T的装置表现出了更高的光电转换效率（PCE，10.29% vs. 9.33%）、开路电压（V_oc，0.94 V vs. 0.86 V）及短路电流密度（J_sc，17.72 mA/cm²vs. 16.56 mA/cm²）。

图1. 文中所用材料的分子结构。图片来源：ACS Energy Lett.

受体部分IC的吸电子强弱可以通过在苯环上介入不同的取代基团或者用其他芳香环替代苯环来进行调节。基于此，如图2所示，作者将IC中苯环用噻吩并噻吩（TT）替换，降低其吸电子性，来进行光伏性质调节。噻吩并噻吩上的硫原子束缚电子能力稍弱，更容易极化，这使得更容易形成S-S相互作用，相对于C原子来说，有利于π堆积及电荷传输。同时在另外的分子中，在IC上引入两个氟原子来进行分子性质的调节。

图2. 材料的合成路线。图片来源：ACS Energy Lett.

如图3所示，由于TT的作用，使得受体分子的分子内电荷传输（ICT）变弱，因此含有TT的分子薄膜吸收最窄，而引入F之后会使得ICT变强，因此吸收红移，而且引入TT的分子在300-500 nm处出现了额外的小峰，这是由于TTC的光谱转变造成。而通过能级图也可以看出，含TT的分子HOMO与LUMO整体向上移动，而引入F之后则整体向下移动。

图3. 三种材料（a）在溶液中的吸收，（b）在薄膜中的吸收，（c）循环伏安曲线，（d）相关材料的能级示意图。图片来源：ACS Energy Lett.

作者以这些材料制备了太阳能电池器件，并进行了性能测试。加入TT后的分子制备的器件，电流与电压同时增大，而引入F之后的材料的器件，电流增大明显，但是电压却有所下降。

图4.（a）电流-电压曲线，（b）外量子效率曲线。图片来源：ACS Energy Lett.

表1. 器件参数表。图片来源：ACS Energy Lett.

小结

本文中，作者通过引入富电子的TT单元使得电子受体的吸电子强度降低，因此使得能级提高从而降低了能量损失并实现了较大开路电压。其次，拓宽的共轭使得分子在300-500 nm出产生了额外的光学变化，导致短路电流的增大。另外，分子中引入F原子后使得ICT作用增强最终使得吸收发生红移，而增大短路电流。总之，该研究表明末端受体的分子工程可以有效调节吸收及能级，最终来实现有机太阳能电池效率的提高。

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）：

New Thieno[3,2-b]thiophene-Based Acceptor: Tuning Acceptor Strength of Ladder-Type N-Type Materials to Simultaneously Achieve Enhanced  V_ocand J_sc  of Nonfullerene Solar Cells

ACS Energy Lett., 2018, 3, 1722–1729, DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00563

导师介绍

郑彦如

http://www.x-mol.com/university/faculty/49799