全小分子非富勒烯有機(jī)太陽電池效率突破10%

劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

(a) p-OS小分子給體和n-OS小分子受體IDIC的分子結(jié)構(gòu)；(b)全小分子有機(jī)太陽電池的器件結(jié)構(gòu)；(c)基于各給體材料全小分子有機(jī)太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)

有機(jī)太陽電池由 p-型有機(jī)半導(dǎo)體(p-OS)給體和富勒烯衍生物或 n-型有機(jī)半導(dǎo)體(n-OS)受體共混活性層夾在透明導(dǎo)電電極和金屬電極之間所組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低以及可采用溶液加工方法制備成柔性和半透明器件等優(yōu)點(diǎn)，成為了近年來新能源研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。將傳統(tǒng)有機(jī)太陽電池使用的富勒烯衍生物受體用 n-OS受體材料取代，可以克服富勒烯受體存在的可見光區(qū)吸光弱、能級調(diào)控困難和形貌穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，是提高有機(jī)太陽能電池光伏性能和穩(wěn)定性的有效方法。

有機(jī)太陽電池 p-OS給體光伏材料包括共軛聚合物和有機(jī)小分子兩類材料。與聚合物相比，小分子材料具有確定的分子結(jié)構(gòu)、無合成批次差別、易提純等優(yōu)點(diǎn)，因此有機(jī)小分子給體光伏材料也引起了人們的廣泛關(guān)注。全小分子非富勒烯有機(jī)太陽電池使用 p-OS小分子給體和非富勒烯 n-OS小分子受體，同時(shí)具有小分子給體材料和非富勒烯受體材料的優(yōu)點(diǎn)，最近成為有機(jī)太陽電池領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。中國科學(xué)院化學(xué)研究所李永舫研究組最近在 p-OS小分子給體材料和全小分子非富勒烯有機(jī)太陽電池的研究中取得系列研究進(jìn)展1–3，使這類器件的能量轉(zhuǎn)換效率突破了10%。

p-OS小分子給體材料多采用A-π-D-π-A型(其中D代表給體結(jié)構(gòu)單元、A代表受體結(jié)構(gòu)單元)線性分子結(jié)構(gòu)。他們首先在其開發(fā)的用于非富勒烯聚合物太陽電池的 J-系列高效聚合物給體光伏材料的基礎(chǔ)上，將J-系列聚合物小分子化，合成了基于苯并二噻吩(BDT)為給體單元、氟取代三氮唑(FBTA)為受體單元、乙腈脂基為末端受體單元的p-OS小分子H11和H12 (分子結(jié)構(gòu)見圖a)。以H11為給體、n-OS小分子 IDIC為受體的全小分子有機(jī)太陽電池開路電壓(Voc)達(dá)到0.977 V，能量轉(zhuǎn)換效率(下面簡稱效率)達(dá)到9.73%1。

非富勒烯 n-OS受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點(diǎn)，因而優(yōu)化p-OS的分子結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是提高全小分子非富勒烯有機(jī)太陽電池光伏性能的重要手段。他們以BDT為中心給體單元、將寡聚噻吩結(jié)構(gòu)引入p-OS分子結(jié)構(gòu)中，合成了兩個(gè)p-OS分子SM1和SM2 (分子結(jié)構(gòu)見圖a)。基于SM1:IDIC的全小分子有機(jī)太陽電池效率達(dá)到 10.11%2，這是全小分子非富勒烯有機(jī)太陽電池效率首次突破10%。

在基于噻吩取代BDT的二維共軛聚合物中，硅烷基側(cè)鏈可以有效地降低聚合物的 HOMO能級，增強(qiáng)吸收和提高空穴遷移率。為了進(jìn)一步提升全小分子有機(jī)太陽電池的光伏性能，他們最近又將硅烷基噻吩為側(cè)鏈的二維 BDT單元引入到 p-OS小分子給體材料中，合成了兩個(gè)新的p-OS小分子給體光伏材料H21和H22 (分子結(jié)構(gòu)見圖a)，并研究了不同末端受體單元對材料物理化學(xué)性質(zhì)及其光伏性能的影響。基于H22:IDIC的全小分子有機(jī)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升到10.29% (其中填充因子達(dá)到 71.15%，開路電壓為0.942 V，短路電流 15.38 mA·cm?2)，相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的Advanced Materials上3。圖中給出了這些p-OS小分子給體和n-OS小分子受體IDIC的分子結(jié)構(gòu)、全小分子有機(jī)太陽電池的器件結(jié)構(gòu)以及各給體材料的光伏能量轉(zhuǎn)換效率。