Solar RRL：基於新型封端基團的小分子受體材料的高效率太陽能電池

隨著化石能源的逐漸枯竭和人類環保意識的提高，如何取得可持續發展的清潔能源成為擺在人類社會面前的重大問題。太陽能作為一種總量巨大且覆蓋範圍廣的能源，有非常大的潛力成為未來的主流清潔能源。有機太陽能電池和傳統無機太陽能電池相比具有成本低，質量輕，可溶劑加工和可製備柔性器件等優點，近年來得到了學術界和工業界的廣泛重視。為提高有機太陽能電池的能量轉換效率，Alan J. Heeger在1995年提出了體異質結的概念。通過將電子給體材料和電子受體材料共混製備光吸收層，使得兩種材料之間的界面大大增加，有利於激子（電子-空穴對）在界面處發生分離，改善了電荷的傳輸，從而使有機太陽能電池能量轉換效率獲得了突破。富勒烯衍生物（如PCBM等）具有很高的電子遷移率且具有三維電子傳輸的特性，是常用的電子受體材料。但是，富勒烯衍生物也存在一些缺點，如吸收光譜不在可見光區，難以調節電子能級和製備純化成本高等。非富勒烯受體分子結構由有機分子構築模塊組合而成，分子性質易於調節，具有易於製備，在可見光區吸收有較寬較強的吸收，分子能級可調等優點。2015年，北京大學占肖衛課題組在《Advanced Materials》上發表了一種非富勒烯小分子受體材料ITIC。基於ITIC與電子給體材料PTB7-Th的有機太陽能電池獲得了6.8%的能量轉化效率。ITIC的出現引發了非富勒烯小分子受體研究熱潮。但是，原來文獻報道主要關注在ITIC分子的給電子核結構或π橋上，僅有非常少的文獻報道了對ITIC封端吸電子基團的研究。

最近，武漢大學化學與分子科學學院楊楚羅教授課題組、北京航空航天大學孫艷明教授課題組和上海交通大學劉烽教授課題組合作完成了一種新型非富勒烯小分子受體ITCPTC的設計合成、器件製備和形貌表徵。ITCPTC是基於新型封端基團CPTCN的小分子受體材料，是由將ITIC的封端吸電子基團INCN的苯環替換為噻吩改造而來。物理性質方面，ITCPTC顯示出了比ITIC更紅移的吸收光譜和更大的摩爾消光係數，而電子能級相比ITIC都相對較低。器件性能方面，基於電子給體材料PBT1-EH與ITCPTC的有機太陽能電池顯示出了較大的的開路電壓（0.95 V）,較大的短路電流（16.5 mA cm?2）和很高的填充因子（75.1%），能量轉換效率達到了11.8%，是有機太陽能電池能量轉換效率的最高值之一。相對於基於ITIC的對照組器件（開路電壓0.99 V, 短路電流15.7 mA cm?2, 填充因子63.4%, 能量轉換效率9.8%）能量轉換效率提高了約20%。為了探究其填充因子較高的原因，從載流子遷移率、飽和光電流和光照強度-光電流強度關係三個角度進行了研究。結果表明，基於ITCPTC的有機太陽能電池具有更高且更平衡的載流子遷移率，更高的載流子傳輸和收集效率。值得一提的是，對小分子受體材料的封端基團進行改造不僅影響分子本身的電子性質，也會影響分子的結晶性和堆積性質。從基於同步輻射光源的掠入射X射線衍射（GIXD）以及共振軟X射線衍射（RsoXS）等測試結果可以看出，ITCPTC在體異質結中的分子堆積具有更多的無定形成分，相分離尺度較大且相純度更高，在退火過程中可以得到更好的活性層形貌從而得到更高的能量轉換效率。這項研究提供了一種可以用於構築非富勒烯受體的封端吸電子單元，擴展了非富勒烯受體的種類，同時也證明了非富勒烯小分子受體的封端結構的改造對其分子堆積性質有很大影響。這些結果為實現更高效率的有機太陽能電池提供了新的思路。

相關工作已經發表在Solar RRL上 (DOI: 10.1002/solr.201700044)上。

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