高結晶窄帶隙受體材料，高效疊層有機太陽能電池

最新 09-30

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非富勒烯有機太陽能電池近年來發展迅速，隨著非富勒烯受體材料不斷取得突破，電池的光電轉換效率也屢次被刷新。單層有機太陽能電池與疊層有機太陽能電池的效率均突破了13%。設計非富勒烯受體材料普遍的策略是採用A-D-A型分子，其中D為一個稠環單元，A為受體單元，如此就可以促進其分子內的電荷轉移。

儘管文獻已經報道了大量的非富勒烯受體，但是多數高性能受體材料仍依賴基於茚二噻吩（IDT）、茚二噻吩並噻吩（IDTT）為核。因此，開發基於新環的非富勒烯受體材料來取得更好的光電性能，從而構建高效太陽能電池，這一思路很有必要。眾所周知，增加給體單元的供電子能力可以降低材料的帶隙，從而拓寬其吸收。最近，美國華盛頓大學Alex K-Y Jen教授等研究者採用4T作為核，IC作為末端單元，製備了窄帶隙受體材料4TIC（吸收邊可以達到900 nm），並以此用作疊層電池，實現了12.62%的高效率。

圖1. 分子設計及化學結構。圖片來源：Chem. Mater.

作者設計的4TIC，其基本設計思路：（1）其剛性稠環4T相對於IDT或者IDTT由於更低的共振穩定能，因此能夠實現更有效的電子離域；（2）4T的剛性結構以及延伸的π共軛框架，這可以為側鏈的修飾提供更大空間防止造成主鏈的扭轉，因此能夠實現更有效的分子堆積以及電荷傳輸；（3）4T比IDT以及IDTT更富電子，這會實現更強的分子內電荷傳輸。

隨後，作者通過一系列的研究對其設計策略的有效性進行了一一確認。

從圖2a可以看出，不管是溶液還是薄膜中，4TIC均比ITIC的吸收邊發生紅移。由於噻吩的共振穩定能比苯更低，所以4TIC比其它分子長度更長的引達省類分子（如IDT、IDTT）的共電子性更強。圖2b是利用循環伏安法測得的兩個分子在溶液中的曲線，也再次證實了4TIC比ITIC的帶隙更窄。圖2的結果驗證了設計策略的第1點與第3點。

圖2. （a）4TIC與ITIC溶液及薄膜中的吸收;（b）兩個分子的循環伏安曲線。圖片來源：Chem. Mater.

作者為了比較4TIC與ITIC的器件性能，製備了單層器件。如圖3所示，基於4TIC的器件最高效率可以達到10.43%。而基於ITIC的器件最高效率有7.28%。其中，4TIC器件的更高效率主要歸因於其較高的短路電流，可以高達18.8 mA/cm2。從圖3b可以看出，其電流增大的原因為4TIC的器件的光譜響應比ITIC器件的光譜響應紅移了100 nm。