端基修饰提升非富勒烯型有机太阳能电池的开路电压

在本体异质结有机太阳能电池中，高性能的光活性层材料是构筑高效率器件的关键。在过去数十年，有机太阳能电池的发展主要依托于富勒烯受体。基于富勒烯受体的有机太阳能电池的效率已经超过了11%，但是富勒烯受体体系具有较高的能量损失（往往大于0.7 eV），严重限制了有机太阳能电池的效率。最近，非富勒烯受体有机太阳能电池的研究取得了显著的进展，在性能上甚至超过了富勒烯受体的有机太阳能电池。这主要得益于非富勒烯受体易于调制的光谱和能级以及低能量损失等特点。

近日，中国科学院化学研究所的侯剑辉研究员（点击查看介绍）课题组在Advanced Materials 上发表论文，设计合成的新型非富勒烯受体ITCC结合给体PBDB-T制备得到有机太阳能电池，开路电压达到1.01 V，并且获得了超过11%的能量转化效率。该工作同时与中国科学院化学研究所的易院平研究员、北卡罗莱纳州立大学的Harald Ade教授和叶龙博士以及韩国高丽大学的Han Young Woo教授等合作，从分子理论层面到共混层微观形貌的多尺度进行研究，揭示了化学修饰对器件性能的影响。

图1. 受体分子端基对其堆积方式和电荷传输影响的示意图。图片来源：Adv. Mater.

相对碳原子来说，硫原子外层电子受原子核束缚更弱，并且含有噻吩共轭单元的分子往往比含有苯共轭单元的分子具有更强的π–π*相互作用。在该论文中，他们用稠环的氰基噻吩茚酮端基取代ITIC氰基茚酮，合成了新型的非富勒烯受体ITCC（图1）。理论计算的结果表明，ITCC分子间的结合能比ITIC小2.59 kcal•mol^–1，表明ITCC更容易形成有序的分子间堆积。如图2所示，GIWAXS的测试结果表明ITCC的π–π*堆积距离为3.83 Å，小于ITIC（3.93 Å）。

图2. ITCC和ITIC的GIWAXS和R-SoXS。图片来源：Adv. Mater.

此外，噻吩稠环比苯具有更强的给电子特性，可显著降低分子内的电荷转移。如图3所示，ITCC的吸收相比于ITIC蓝移了40 nm，同时噻吩作为富电子基团降低了端基的吸电子特性，ITCC的LUMO能级相比于ITIC显著上移了140 meV，有利于提高电池器件的开路电压。

图3. ITCC和ITIC的吸收光谱和循环伏安测试曲线。图片来源：Adv. Mater.

作者制备了结构为ITO/PEDOT : PSS/PBDB-T : ITIC or ITCC/PFN-Br/Al的有机太阳能电池器件，并测试了其光电性能，如图4和表1所示。基于PBDB-T : ITCC器件，开路电压提高到了1.01 V，能量转化效率达到11.4%。相比之下，基于PBDB-T : ITIC的器件获得了10.6%的能量转化效率和0.93 V的开路电压，这一结果与以往文献报道的结果相仿。

表1. ITCC和ITIC的光伏性能参数。表格来源：Adv. Mater.

^a) 括号内为通过EQE积分获得的电流密度；^b) 括号内为多于10个器件的平均结果

图4. 基于ITCC和ITIC电池器件的J–V 和EQE曲线。图片来源：Adv. Mater.

该论文作者为：Huifeng Yao, Long Ye, Junxian Hou, Bomee Jang, Guangchao Han, Yong Cui, Gregory M. Su, Cheng Wang, Bowei Gao, Runnan Yu, Hao Zhang, Yuanping Yi, Han Young Woo, Harald Ade and Jianhui Hou

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）：

Achieving Highly Efficient Non-fullerene Organic Solar Cells with Improved Intermolecular Interaction and Open-circuit Voltage

Adv. Mater., 2017, 29, 1700254, DOI: 10.1002/adma.201700254

导师介绍

侯剑辉

http://www.x-mol.com/university/faculty/15463