精細調控小分子受體材料的能級獲得超過12％能量轉換效率的有機太陽能電池

可溶液處理的有機太陽能電池具有質量輕、柔性、可大面積製備和成本低等諸多優點受到學術界和工業界的廣泛關注。近年來，基於非富勒烯受體材料的有機太陽能電池獲得迅猛的發展，其中具有受體單元-給體單元-受體單元（A-D-A）結構的非富勒烯小分子受體材料由於其結構確定、能級易調控等優點發揮了重要的作用。南開大學陳永勝課題組在前期給體材料設計合成的工作中證明A-D-A型小分子給體材料的能級能夠通過改變中間給體單元的給電子能力和末端受體單元的拉電子能力進行有效的調控。結合最近報道的諸多關於A-D-A型小分子受體材料的結果，該策略同樣適用於設計不同能級的小分子受體材料。

陳永勝課題組在之前的工作中首次報道了基於苯並二噻吩的稠環單元的小分子受體材料NFBDT，並獲得了超過10%的能量轉換效率。對該材料的給體單元和受體單元進行優化可以有效的調控能級，從而獲得更窄帶隙的小分子受體材料，拓寬吸收光譜從而利於獲得更高的短路電流密度。基於此，陳永勝課題組報道了一個新的A-D-A型的小分子受體NCBDT。帝國理工的Artem. A Bakulin團隊和劍橋大學的Richard H Friend團隊對材料體系的光物理過程進行了超快光譜分析。上海交通大學的劉烽教授對材料的微觀結構進行二維掠入射X-射線表徵分析。與NFBDT相比較，該受體材料的最高已佔有軌道（HOMO）的能級升高，這主要是由於在NFBDT的中間單元引入了弱的烷基鏈給電子單元；同時最低未佔有軌道（LUMO）的能級降低，是由於在NFBDT的末端單元引入了強的氟原子拉電子基團。通過精細結構優化的策略，NCBDT受體材料的光學帶隙低至1.45 eV，其薄膜吸收範圍拓展至近紅外區域，與聚合物給體材料的吸收範圍互補更好。與很多基於富勒烯體系的材料體系相比，減小活性層中受體材料和給體材料的HOMO能級的差值並沒有影響材料體系中的光物理過程。對於兩個受體材料器件當中的光物理過程，通過超快光譜研究觀察到比較慢（~400 ps）但是有效的電荷產生進而有效的電荷提取過程。說明對該體系受體材料的能級調控並沒有影響相關的光物理過程。更低的電荷分離的驅動力並沒有影響電荷分離的過程，這為同時獲得高的短路電流密度和低的開路電壓損失提供了新的途徑。因此，在維持相對高的開路電壓的前提下，基於該受體材料的器件獲得了超過20 mA cm-2的短路電流密度以及超過12%的能量轉換效率。通過能級調控優化給受體材料之間的HOMO以及LUMO能級差值，可以在增加吸收太陽光獲得高電流的同時儘可能的降低開路電壓損失。考慮到苯並二噻吩衍生物的化學結構的多樣性以及該材料體系的光物理過程，通過對受體材料以及給體材料的進一步優化，可以獲得能量損失更低的高效率有機太陽能電池。

相關文章在線發表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201704904)上。

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