含有π橋的非富勒烯小分子受體的研究

潘 慧，夏養(yǎng)君

（蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070）

1 概述

由于擁有通過(guò)低成本的旋涂方法制造大面積的柔性太陽(yáng)能電池板的巨大潛能[1]，最近幾十年來(lái)，本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）[2]受到了研究者們的廣泛關(guān)注。隨著人們的深入研究，最近，由于其可以很大程度上克服基于富勒烯太陽(yáng)能電池固有的缺點(diǎn)，如較難調(diào)控的分子能級(jí)，有限的光譜吸收范圍以及容易聚集的活性層等，含有A-D-A型非富勒烯小分子電子受體（NFAs）的有機(jī)太陽(yáng)能電池（PSCs）成為了一類很有前途的太陽(yáng)能電池。依賴于人們對(duì)這類分子的設(shè)計(jì)與合成，目前，基于NFAs的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過(guò)了18%。其中最好的例子就是2020年1月由丁黎明課題組在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表的以D18為給體，Y6為受體的體系，其光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了18.22%。為了進(jìn)一步提高這種給受體體系工藝水平的光電轉(zhuǎn)化效率，人們致力于開發(fā)更多新的給受體材料。作為一種將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其材料應(yīng)該具有廣泛吸收太陽(yáng)光譜的特點(diǎn)，這是提高此類太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵方法之一。比較成功的單晶硅太陽(yáng)能電池有很寬的光譜吸收帶，可以響應(yīng)到1 100nm，使得光電轉(zhuǎn)化效率超過(guò)25%。因此，在OSCs領(lǐng)域，設(shè)計(jì)合成和運(yùn)用窄帶隙光電材料對(duì)于進(jìn)一步提高效率是至關(guān)重要的。

由于擁有通過(guò)低成本的旋涂方法制造大面積柔性太陽(yáng)能電池板的巨大潛能[1]，最近幾十年來(lái)，本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）[2]受到了研究者們的廣泛關(guān)注。

在過(guò)去的幾十年中，人們?cè)O(shè)計(jì)和運(yùn)用了多種吸收光譜拓展到近紅外區(qū)的聚合物和小分子[3]，使得光譜響應(yīng)達(dá)到800nm，帶隙Eopt超過(guò)1.55eV，光電轉(zhuǎn)化效率超過(guò)11%的材料的OSC器件取得了重大的進(jìn)展[4]。然而，進(jìn)一步拓寬光譜響應(yīng)到紅外區(qū)域會(huì)造成重大的能量損失（Eloss=Egopt-eVoc）[5]，到目前為止，最有效的OSC器件，其帶隙Egopt=1.2±0.1eV ，器件效率是5%～6%，短路電流密度高至20mA/cm2，然而其開路電壓只有0.4～0.5eV，相應(yīng)的能量損失達(dá)到0.6～0.8eV[6]。因此，設(shè)計(jì)新的提高器件效率的光電材料仍然是這一領(lǐng)域很大的一個(gè)挑戰(zhàn)。

為了提升有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能，進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)化效率，受體材料的前線分子軌道應(yīng)該與一些典型給體的分子軌道相匹配，合適的LUMO能級(jí)有利于提高器件的開路電壓，并且確保有效的電荷傳輸。另一方面，除了個(gè)別材料，例如Y6[7]等，大多數(shù)這種A-D-A型分子的帶隙都超過(guò)了1.55eV，這就意味著這些受體的吸收邊不到800nm，限制了材料的吸光能力。因此，發(fā)展合成步驟較短，帶隙較窄的含有π橋的小分子受體引起了大家的興趣。

2016年，Zhu Xiaozhang[8]團(tuán)隊(duì)在研究過(guò)程中在IEIC分子的π橋上增加了一個(gè)共軛的噻吩環(huán)，設(shè)計(jì)和合成了一個(gè)新的小分子受體，命名為ATT-2.該非富勒烯小分子受體有很寬的薄膜吸收，從300nm到940nm，帶隙Egopt=1.32eV。當(dāng)與PTB7-Th混合作為太陽(yáng)能電池的活性層時(shí)，其器件的效率達(dá)到了9.58%，有一個(gè)很高的短路電流密度20.75mA/cm2，開路電壓是0.73V，填充因子是63%。與IEIC相比，基于ATT-2的器件高的短路電流密度和填充因子足夠補(bǔ)充開路電壓的降低，因此總體可以提高器件的效率。此外非富勒烯小分子受體ATT-2可以與給體PTB7-Th在近紅外區(qū)域形成較好的光吸收互補(bǔ)，這對(duì)于提高器件效率是有利的。通過(guò)利用Ag電極，此半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池短路電流密度18.53mA/cm2，可見光區(qū)的平均透射率達(dá)到37%，器件效率7.74%，達(dá)到當(dāng)時(shí)單節(jié)太陽(yáng)能電池的最大效率。

2 總結(jié)分析

從近幾年的性能優(yōu)秀的小分子設(shè)計(jì)及合成發(fā)現(xiàn)，給受體間分子能級(jí)的合理匹配可提升開路電壓并減小能量損失，拓寬吸收光譜從而加大光能利用率提升短路電流密度，改善分子間的堆積效果進(jìn)而影響其膜的形態(tài)，提高電子遷移率平衡電荷傳輸，提升薄膜器件的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高PCE。而π橋的引入不僅可以拓寬材料的吸收光譜，從而提高器件的短路電流密度，且這類材料在合成過(guò)程中也較傳統(tǒng)的的合成方法簡(jiǎn)短，節(jié)省了原料和時(shí)間。想要進(jìn)一步提高器件的效率，還應(yīng)該在材料、器件的多方面不斷努力，相信不久的將來(lái)，這類太陽(yáng)能電池就能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。