第三組分端基對非富勒烯有機太陽能電池性能的影響

莊林

武漢大學化學與分子科學學院，武漢 430072

第三組分分子結構及太陽能電池電流密度-電壓(J-V)曲線

有機聚合物太陽能電池具有成本低、重量輕、半透明、制作工藝簡單、可制備大面積柔性器件等突出優點，成為近年來的研究熱點之一1。有機太陽能電池活性層由電子給體和電子受體組成，通常采用本體異質結結構2。富勒烯電子受體及其衍生物如[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)和[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)具有電子遷移率高、電子親和勢較高等優點被廣泛使用。然而，富勒烯電子受體具有可見區及近紅外區吸收弱、能級難以調控、化學制備困難、光熱穩定性較差等缺點，限制了器件光電轉換效率的進一步提高，形貌穩定性較差，影響器件穩定性。近3年來，非富勒烯電子受體發展迅速，其單結有機太陽能電池的光電轉換效率由6%發展到14%3,4。與富勒烯受體相比，非富勒烯受體具有分子能級可調、可見及近紅外區吸收強、合成較容易等優點，特別是以明星分子七并稠環-腈基茚酮類化合物(ITIC)5為代表的稠環電子受體受到廣泛關注6。

除發展新型材料以外，通過選用合適的第三組分構筑三元共混有機太陽能電池可以進一步提高器件的光電轉換效率。第三組分可提高光譜吸收互補性從而提高電池的短路電流，同時提高激子解離能力、電荷傳輸能力及改善活性層形貌(如結晶度、分子取向、相區尺寸及相純度等)，從而提高器件的開路電壓及填充因子7。基于富勒烯受體的三元共混有機太陽能電池效率高達14%8，然而，全非富勒烯電子受體三元共混器件的研究依然不多，其光電轉換效率有待提高，器件機理仍需深入研究。北京大學占肖衛、韓平疇等人制備了基于稠環電子受體的三元共混太陽能電池，并進行了系統性研究。

該工作已在物理化學學報上在線發表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201804231)9。該文章主要討論了兩種端基不同的第三組分在三元共混有機太陽能電池中的作用。文章利用寬帶隙聚合物苯并二噻吩-二氟苯并氮三唑共聚物(FTAZ)作為給體，窄帶隙稠環電子受體六噻吩稠環-氟代腈基茚酮類化合物(FOIC)作為受體，中帶隙稠環電子受體五并稠環-腈基茚酮類化合物(IDT-IC)和五并稠環-腈基苯并茚酮類化合物(IDT-NC)分別作為第三組分，制備了兩種三元有機太陽能電池。基于FTAZ:FOIC:IDT-IC的三元共混體系，相比于二元體系FTAZ:FOIC，開路電壓，短路電流和填充因子同時提高，器件效率達 11.2%。對于FTAZ:FOIC:IDT-NC體系，由于IDT-NC和FOIC的LUMO能級相近，吸收光譜高度重疊，導致開路電壓增加很小，短路電流降低，僅實現10.4%的光電轉換效率。該工作對于基于稠環電子受體的三元共混有機太陽能電池研究具有重要的啟發意義。