A-D-A型小分子電子給體中的端基優(yōu)化和高效率光伏器件

占肖衛(wèi)

北京大學工學院，北京 100871

相較于傳統(tǒng)的無機太陽能電池，有機太陽能電池(OSCs)具備成本低、重量輕、可通過溶液加工方式制備柔性器件等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為具有重要應用前景的太陽能利用方式之一1,2。自1995年俞剛等發(fā)明了具有本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(BHJ)的OSC以來3，采用共軛聚合物電子給體和小分子電子受體材料構建BHJ光伏活性層的電池能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)已經(jīng)達到13%以上4。相比于聚合物材料，有機小分子具備批次差別性較小的優(yōu)點，針對小分子材料的分子結(jié)構設計受到廣泛關注。目前，具有拉-推-拉(A-D-A)電子作用的共軛結(jié)構已被成功應用到高性能小分子給體與受體材料的分子設計中5–8。根據(jù)其光電性能，A-D-A型給體和受體的組合在提供寬吸收光譜和適當?shù)姆肿幽芗墐煞矫婢哂袃?yōu)勢，但是采用這種材料組合方式獲得光伏效率仍然較低。因此，如何通過材料設計和器件優(yōu)化提升此類電池的效率是一項具有意義的工作。

北京科技大學張少青與中國科學院化學研究所侯劍輝等人合作，以具有良好共平面性的三聯(lián)苯并二噻吩(TriBDT)結(jié)構為D單元，分別以羅丹寧(RN)、氰基羅丹寧(RCN)和1,3-茚二酮(IDO)為A單元，設計并合成了具有A-D-A結(jié)構的三種小分子給體材料。他們發(fā)現(xiàn)，三種小分子材料的熱分解溫度基本一致。由于A型端基的拉電子能力不同，相應給體材料的光學性能和電化學性能略有不同，端基拉電子作用越強，材料的吸收光譜紅移，分子能級降低；反之則吸收光譜藍移，分子能級升高。

隨后，張少青等人將三種小分子給體與非富勒烯型受體材料IT-4F共混制備器件，詳細研究了三種端基對于小分子材料與受體材料共混制備的活性層形貌與光伏性能之間的關系。經(jīng)過器件工藝優(yōu)化，基于RN:IT-4F的光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率可以達到9.25%，而基于RCN:IT-4F與IDO:IT-4F的能量轉(zhuǎn)換效率僅為6%左右。通過對器件活性層微觀形貌的研究發(fā)現(xiàn)，帶有氰基羅丹寧與1,3-茚二酮為端基的小分子給體在共混薄膜中形成了較大聚集的相區(qū)，不利于激子的有效傳輸與分離，因此基于二者的器件的短路電流乃至光伏性能較低。綜上所述，對于A-D-A型小分子給體材料而言，其末端A型基團可以對材料的吸收光譜、分子能級以及與A-D-A型受體材料共混后的微觀形貌產(chǎn)生非常大的影響，因此相應器件在光伏性能方面會表現(xiàn)出顯著差異。

該研究工作已在物理化學學報上在線發(fā)表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201712063)，為特刊“非富勒烯有機太陽能電池”邀請的原創(chuàng)文章9。該工作說明了小分子給體材料設計中端基優(yōu)化對其光伏性能的重要影響，而且還采用A-D-A分子結(jié)構的給體和受體共混制備了具有突出光伏效率的有機光伏電池，對有機光伏材料設計和器件優(yōu)化提供了重要借鑒價值。