基于寬帶隙小分子給體第三組分的三元有機光伏器件

馬伊帆，張雅敏，甘勝民，張昱琛，費賢，王汀，張則琪，鞏雪柱，張浩力

基于寬帶隙小分子給體第三組分的三元有機光伏器件

馬伊帆#，張雅敏#，甘勝民，張昱琛，費賢，王汀，張則琪，鞏雪柱，張浩力

（蘭州大學化學化工學院, 功能有機分子化學國家重點實驗室, 特殊功能材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計教育部重點實驗室, 蘭州 730000）

三元策略是提升器件光電轉(zhuǎn)換效率的重要途徑. 本文設(shè)計合成了基于苯并噻二唑并二噻吩橋聯(lián)基團的寬帶隙小分子給體DRDTBT, 并將其作為有機太陽能電池中的第三組分. 通過引入具有缺電子性質(zhì)的苯并噻二唑并二噻吩單元, 使DRDTBT獲得了較低的最高占有軌道能級以及高的結(jié)晶性, 將其作為第三組分引入基于PM6∶BTP-eC9的器件中時有效提升了器件的開路電壓, 活性層形貌也得到了更好的調(diào)節(jié). 得益于提升的開路電壓和填充因子, 三元器件取得了優(yōu)于二元器件的光電轉(zhuǎn)換效率, 其開路電壓為0.86 V, 短路電流密度為26.99 mA/cm2, 填充因子為76.34%, 最終取得了17.72%的高光電轉(zhuǎn)換效率, 證明將高結(jié)晶性缺電子單元引入小分子給體第三組分中是提升三元有機太陽能電池效率的有效途徑.

有機太陽能電池；三元策略；寬帶隙小分子給體；缺電子橋聯(lián)單元

基于有機半導體材料的有機太陽能電池（Organic solar cell， OSC）具有材料種類豐富、質(zhì)量輕、本征柔性以及可溶液印刷加工的獨特優(yōu)勢［1～3］. 有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率主要取決于其中的活性層材料，通常，活性層材料由一種電子給體材料與一種電子受體材料組成. 然而，發(fā)展性能優(yōu)異的給體或受體材料較為困難，而通過向二元體系（Binary system）中引入第三組分來發(fā)展三元體系（Ternary system）有望進一步拓寬二元體系的光吸收、優(yōu)化活性層的形貌和能級排列，從而提高器件的效率［4，5］. 研究表明，添加第三組分可以有效地改善有機太陽能電池的性能，然而在設(shè)計和合成第三組分方面并沒有普適性的規(guī)則［6］. 相比于聚合物給體，小分子給體通常具有更強的結(jié)晶性［7，8］，同時小分子給體可以采用與聚合物給體相似的結(jié)構(gòu)單元進行構(gòu)筑，當其作為第三組分加入含聚合物給體的二元體系時可以在保持與主體聚合物給體相容性的同時調(diào)控活性層形貌［9，10］. 如Zhan等［11］設(shè)計合成了小分子給體TR作為PTB7-Th∶FOIC體系中的第三組份， TR作為寬帶隙材料，可以與二元體系形成光譜吸收互補，有效拓寬了器件的吸收范圍. 同時， TR分子具有強結(jié)晶性及高空穴遷移率，可以有效調(diào)控給體PTB7-Th的聚集并提高器件的空穴遷移率，在添加25%（質(zhì)量分數(shù)）TR分子時器件的光電轉(zhuǎn)換效率從12%提升到了13.1%. 此外，對于具有較高效率的二元體系PM6∶Y6，一系列具有強結(jié)晶性的小分子給體（如SM1［12］， BTR［13］， ECTBD［14］和BPR-SCl［15］）都起到了良好的形貌調(diào)節(jié)、吸收拓寬或降低電荷傳輸能壘的作用，使得這些三元器件的效率都超過了16.5%. 最近， Zhang等［16］發(fā)展了基于小分子給體第三組分的OPR-SCl及PM6∶BTP-eC9的活性層體系，其最高效率可達18%以上，這是目前使用小分子給體作為第三組分時獲得的最高效率.

對于小分子給體而言，橋聯(lián)基團對分子的平面性和堆積影響非常大，引入具有弱的吸電子性質(zhì)的共軛結(jié)構(gòu)橋聯(lián)基團是降低給體材料最高占有分子軌道（HOMO）能級、進而提升器件開路電壓的有效手段［17～19］. 苯并噻二唑是一種常用的缺電子單元，將其與雙噻吩稠環(huán)化得到-擴展單元二噻吩［3'，2'：3，4；2''，3''：5，6］苯并［1，2-c］［1，2，5］噻二唑（DTBT）［20］，可以有效增強分子間-堆積［21］. 2013年， Li等［22］將該單元引入高分子聚合物結(jié)構(gòu)中，該聚合物與富勒烯受體組合時取得了4.36%的光電轉(zhuǎn)換效率. 2016年， Lee等［23］向DTBT中分別引入O原子及Se原子來取代N原子，得到了一系列含有不同雜原子的聚合物分子，與富勒烯受體組合最高可獲得6.02%的效率. 2020年， Ding等［24］以DTBT作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元發(fā)展了高性能聚合物給體分子D18， D18與小分子稠環(huán)受體Y6構(gòu)成的太陽能電池取得了高達18.22%的光電轉(zhuǎn)換效率. 以上研究表明， DTBT結(jié)構(gòu)是高效的有機半導體結(jié)構(gòu)單元，本文將其引入有機小分子給體材料的設(shè)計中，探究以DTBT作為橋的小分子給體第三組分在有機光伏器件中的應(yīng)用；首先設(shè)計合成了一種新型小分子給體材料（DRDTBT），該分子以苯并二噻吩作為中心給電子單元、以DTBT單元作為橋聯(lián)單元，并以己基饒丹寧作為末端吸電子基團； DTBT這一吸電子單元的引入使得DRDTBT實現(xiàn)了較寬的帶隙、較深的HOMO能級以及較高的結(jié)晶性，有效提升了PM6∶BTP-eC9二元器件的效率，最終基于PM6∶BTP-eC9∶DRDTBT的三元器件獲得了17.72%的高光電轉(zhuǎn)換效率.

1 實驗部分

1.1　試劑與儀器

丙酮、異丙醇、石油醚、二氯甲烷、三氯甲烷、三氯氧磷（POCl3）、吡啶和1，2-二氯乙烷和甲苯（HPLC），分析純，國藥集團化學試劑有限公司； 1，8-二碘辛烷（純度＞98%）鄰二氯苯（無水級，純度＞99%）和，-二甲基甲酰胺（DMF，無水級，純度99.8%），美國默克公司；氟化鉀（純度＞98.5%）、-溴代琥珀酰亞胺（純度＞99%）及甲醇（HPLC）和四三苯基膦鈀［Pd（PPh3）4］（純度＞98%），北京百靈威科技有限公司； 5，8-二溴二噻吩并［3'，2'：3，4；2''，3''：5，6］苯并［1，2-c］［1，2，5］噻二唑（2）、（4，8-雙（5-（異辛基硫基）噻吩基）苯并［1，2-B：4，5-B'］二噻吩基）雙（三甲基錫）（6）和（4-（2-丁基辛基）噻吩-2-基）三丁基錫烷（1）（純度＞98%），深圳睿訊科技有限公司； 3-己基羅丹寧和聚［（2，6-（4，8-雙（5-（2-乙基己基-3-氟）噻吩-2-基）-苯并［1，2-B：4，5-B'］二噻吩］）-ALT-（5，5-（1'，3'-二-2-噻吩-5'，7'-雙（2-乙基己基）苯并［1'，2'-C：4'，5'-C'］二噻吩-4，8-二酮），純度>98%，北京朔綸有機光電有限公司.

AVANCE III HD 400 M核磁共振波譜儀（NMR），瑞士Bruker公司； MALDI-TOF7090型基質(zhì)輔助激光解析-飛行時間質(zhì)譜儀（MALDI-TOF MS），日本Shimadzu公司； Lambda 35型紫外-可見光譜儀 （UV-Vis），美國Perkin Elmer公司； CHI660E型電化學工作站，上海辰華公司； SAN EI XES 50S2 AAA級太陽光模擬器，日本SAN EI公司；由71PX50B氙燈光源及7-LX500-W30-XT單色光源系統(tǒng)組成的外量子效率測試系統(tǒng)（EQE），北京賽凡光電公司； FEI Talos F200S型透射電子顯微鏡（TEM），美國FEI公司； Alpha-Step D-300臺階儀，美國KLA-TENCOR公司； Xeuss 2.0小角廣角掠入射X射線散射儀 （GIWAXS），法國Xenocs公司；飛秒瞬態(tài)吸收光譜測量系統(tǒng)（fs-TAS）：飛秒激光系統(tǒng)（美國Coherent公司）； Helios瞬態(tài)光譜儀（美國Ultrafast Systems公司）.

1.2　實驗過程

1.2.1目標小分子給體的合成目標小分子給體DRDTBT的合成路線如Scheme 1所示.

Scheme 1Synthetic routes of compound DRDTBT

化合物3的合成：在氬氣保護下，以甲苯為溶劑，向化合物1（1.79 g， 3.3 mmol）和化合物2（609.20 mg， 1.5 mmol）中加入86.63 mg四三苯基膦鈀. 回流12 h后，將體系倒入氟化鉀水溶液（質(zhì)量分數(shù)約5％）中并用CH2Cl2萃取. 減壓除去溶劑后，使用石油醚/二氯甲烷（體積比2∶1）作為洗脫劑進行柱層析純化，得到橙色固體（677.25 mg， 60％）.1H NMR（400 MHz， Chloroform-d），： 7.83（s， 2H）， 7.07（s， 2H）， 6.86（s， 2H）， 2.54（d，=6.6 Hz， 4H）， 1.70～1.59（m， 2H）， 1.39～1.22（m， 32H）， 0.99～0.82（m， 12H）.

化合物4的合成：以二氯乙烷為溶劑，向化合物3（364.2 mg， 0.486 mmol）的溶液中分批加入-溴代琥珀酰亞胺（86.48 mg， 0.486 mmol）. 將溶液在室溫下攪拌12 h，反應(yīng)通過碳酸氫鈉溶液淬滅并用CH2Cl2萃取，有機層用鹽水洗滌并經(jīng)無水硫酸鈉干燥. 減壓除去溶劑后，使用石油醚/二氯甲烷（體積比4∶1）為洗脫劑進行柱層析純化，得到橙色固體（371.85 mg， 92.4％）.1H NMR（400 MHz， Chloroform-d），： 8.06（s， 1H）， 8.00（s， 1H）， 7.18（s， 1H）， 7.02（s， 1H）， 6.92（s， 1H）， 2.57（d，=7.1 Hz， 2H）， 2.53（d，=7.2 Hz， 2H）， 1.69～1.60（m， 2H）， 1.38～1.19（m， 32H）， 0.95～0.81（m， 12H）.

化合物5的合成：向化合物4（681.98 mg， 0.9 mmol）的CHCl3溶液中加入Vilsmeier-Haack試劑 ［在0 ℃下滴加POCl3（0.84 mL， 9 mmol）于DMF（0.87 mL， 11 mmol）中制備］，回流24 h后，將混合物 倒入乙酸鈉水溶液中，用CH2Cl2萃取. 有機層用水洗滌3次后，用無水MgSO4進行干燥. 減壓除去溶劑后使用石油醚/二氯甲烷（體積比1∶1）作為洗脫劑進行柱層析純化，得到橙色固體（386.25 mg， 50％）.1H NMR（400 MHz， Chloroform-d），： 10.02（s， 1H）， 8.18（s， 1H）， 7.94（s， 1H）， 7.19（s， 1H）， 7.01（s， 1H）， 2.89（d，=7.1 Hz， 2H）， 2.52（d，=7.1 Hz， 2H）， 1.78～1.67（m， 2H）， 1.40～1.22 （m， 32H）， 0.95～0.81（m， 12H）.

化合物7的合成：在惰性氣氛下，向化合物5（178.05 mg， 0.208 mmol）和化合物6（91.58 mg， 0.09 mmol）的無水甲苯溶液中加入四三苯基膦鈀（10.88 mg， 0.010 mmol）. 將溶液回流12 h后，將反應(yīng)混合物倒入氟化鉀水溶液（約5％）中并用CH2Cl2萃取. 有機層用水洗滌3次后用無水MgSO4進行干燥，減壓除去溶劑后，使用二氯甲烷作為洗脫劑進行柱層析純化，得到深紅色固體（97.5 mg， 47％）.1H NMR （400 MHz， Chloroform-d），： 9.93（s， 2H）， 7.92（s， 2H）， 7.75（s， 2H）， 7.55（s， 2H）， 7.32（d，=3.6 Hz， 2H）， 7.24（d，=3.6 Hz， 2H）， 7.05（s， 2H）， 6.94（s， 2H）， 3.05（d，=6.2 Hz， 4H）， 2.81（d，= 7.1 Hz， 4H）， 2.71（d，=7.1 Hz， 4H）， 1.79～1.66（m， 2H）， 1.63～1.50（m， 4H）， 1.41～1.16（m， 80H）， 0.96～0.79（m， 36H）.

化合物DRDTBT的合成：在氬氣保護下，將化合物7（56.55 mg， 0.026 mmol）和3-己基羅丹寧（55.5 mg， 0.26 mmol）溶解于干燥CHCl3中，向體系中加入0.15 mL哌啶后在室溫下攪拌24 h. 得到的混合物用CHCl3萃取，有機層用水洗滌3次后，用無水MgSO4進行干燥，減壓除去溶劑后使用正己烷/氯仿（體積比2∶1）作為洗脫劑進行柱層析純化，得到深紫色固體（34.73 mg，收率53%）.1H NMR（400 MHz， Chloroform-d），： 7.75（s， 2H）， 7.65（s， 2H）， 7.55（s， 2H）， 7.43（s， 2H）， 7.25（s， 2H）， 7.25 （s， 2H）， 6.97（s， 2H）， 6.79（s， 2H）， 4.01（m， 4H）， 3.08（d，=5.8 Hz， 4H）， 2.61（m， 8H）， 1.73～1.65（m， 8H）， 1.64～1.59（m， 4H）， 1.41～1.15（m， 80H）， 0.98～0.82（m， 36H）. MALDI-TOF MS（［M］+），實驗值（C138H176N6O2S20，計算值）： 2591.9484（2589.83）. DRDTBT的核磁共振波譜及質(zhì)譜信息見圖S1～圖S3（本文支持信息）.

1.2.2有機太陽能電池器件的制備二元和三元有機太陽能電池均采用氧化銦錫（ITO）/聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）∶聚苯乙烯磺酸（PSS）/活性層/PDINO/Ag的正向器件結(jié)構(gòu). 將PEDOT∶PSS（約 20 nm）旋涂在預清潔的ITO電極上，并在空氣中于150 ℃下退火15 min. 之后，將濃度為16 mg/mL的PM6∶BTP-eC9和PM6∶BTP-eC9∶DRDTBT（溶劑均為氯仿/1，8-二碘辛烷體積比為 99.5∶0.5的混合溶劑）旋涂在PEDOT∶PSS層上. 隨后，將 5 nm PDINO（溶劑為甲醇，濃度為2 mg/mL）旋涂在活性層上. 最后，在高真空（約1×10-4Pa）下蒸鍍60 nm的Ag作為金屬電極，器件面積為4 mm2.

1.2.3有機太陽能電池器件的性能測試使用太陽光模擬器模擬功率為100 mW/cm2的AM 1.5G光譜，集合Keithley 2400數(shù)字源表測試器件的電流-電壓曲線；并采用外量子效率測試系統(tǒng)來確定器件在各波段下的響應(yīng)情況.

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外?可見吸收光譜及前線軌道能級

DRDTBT， PM6和BTP-eC9的化學結(jié)構(gòu)見圖1（A）～（C）. DRDTBT在氯仿溶液中的UV-Vis位于400～627 nm范圍內(nèi)，最大吸收峰位于536 nm、摩爾吸收系數(shù)為8.2×104（見本文支持信息圖S4）. 如圖2（A）所示， PM6和BTP-eC9純膜的最大吸收峰分別位于574和826 nm處， DRDTBT的薄膜吸收光譜與PM6具有一定重合. 采用循環(huán)伏安法（CV）測定DRDTBT的前線軌道能級，以Ag/AgCl電極作為參比電極（見本文支持信息圖S5）， HOMO和最低未占分子軌道（LUMO）能級分別由氧化和還原起始電位進行計算. 以二茂鐵作為內(nèi)標， DRDTBT的HOMO能級為-5.57 eV， LUMO能級為-3.50 eV. 圖2（B）顯示了DRDTBT， PM6和BTP-eC9的能級關(guān)系， DRDTBT相對主體給體材料PM6具有相對更深的HOMO能級，二者共混后薄膜的HOMO能級低于PM6純膜（圖S5），這有利于器件開路電壓（OC）的提升.

Fig.1　Chemical structures of DRDTBT(A), PM6(B) and BTP?eC9PM6(C)

Fig.2　Normalized UV?Vis absorption spectra in the thin film state(A) and energy level diagrams(B) of PM6, DRDTBT and BTP?eC9

2.2　二元及三元光伏器件的性能

采用ITO/PEDOT∶PSS/活性層/PDINO/Ag的正向器件結(jié)構(gòu)構(gòu)筑了二元及三元器件. 圖3（A）為在強度為1000 W/m2的AM 1.5G光譜照射下的電流密度-電壓（）曲線. 相比于二元器件， DRDTBT取代PM6的比例為10%的三元器件展現(xiàn)出最高的開路電壓及填充因子（FF），但短路電流密度（SC）略有降低（具體器件參數(shù)見表1）. 隨著DRDTBT取代PM6的比例從0增至20%，器件的OC逐漸從0.84 V增至0.87 V（表S1，見本文支持信息），這表明共混后PM6和DRDTBT可能屬于類合金模型. 為了研究器件在各波段的響應(yīng)情況，測試了二元及三元器件的EQE，其EQE譜圖和積分電流密度曲線如圖3（B）所示. 顯然，降低的SC源于受體材料在640～825 nm范圍內(nèi)響應(yīng)的降低，表明添加DRDTBT會顯著影響受體分子BTP-eC9的堆積. 如圖3（C）所示，二元及三元共混薄膜的吸收光譜表明， DRDTBT會抑制給體PM6的聚集并促進受體BTP-eC9的堆積， DRDTBT與BTP-eC9共混后的薄膜較BTP-eC9純膜的吸收光譜紅移了18 nm，進一步說明DRDTBT對BTP-eC9的堆積具有較為明顯的影響（圖S6，見本文支持信息）.

Fig.3　J?V curves(A), EQE curves(B), absorption curves(C) of binary and ternary blend films, variation of Jph with Veff(D), variation of Jph/Jsat with Veff(E), dependence of Jph on the light intensity(Plight)(F) for the binary and ternary devices

Table 1　Photovoltaic parameters of the binary and ternary OSCs with 1,8-diiodooctane（DIO） content of 0.5%（volume fraction)

進一步對器件進行了電荷復合分析［25］，光電流密度（ph）和有效電壓（eff）之間的關(guān)系如圖3（D）所示. 對于這兩種器件，當eff大于2.2 V時，所有產(chǎn)生的激子基本都完全解離并被電極收集，此時ph值接近飽和電流密度（sat）.ph和sat的比率（diss值）可以用來描述激子的解離效率. 如圖3（E）所示，二元和三元器件的diss值在短路時都達到了97.3%，在最大輸出功率點處的diss值分別達到88.9% 和89.9%，這表明二元及三元器件都具有高效的激子解離和電荷收集效率. 在ph∝light的關(guān)系中 ［圖3（F），其中，代表雙分子電荷重組的概率］，越接近1意味著器件中的雙分子復合情況越少，三元器件的值為0.986，大于二元器件的0.984，表明三元器件中的雙分子復合更少，這有利于激子解離和電荷傳輸.

2.3　二元及三元薄膜形貌及堆積方式

利用AFM和TEM研究了二元與三元共混薄膜的相分離形貌. 從圖4（A）和（B）可以看出，二元及三元共混薄膜都具有較小的均方根粗糙度（q），其中，二元薄膜的q為1.55 nm，三元薄膜的q為1.65 nm，這可能是由于DRDTBT具有強結(jié)晶性所致. 添加DRDTBT含量越高的三元共混膜粗糙度越高，相分離也更加明顯（圖S7，見本文支持信息）. 在TEM照片中，兩種共混薄膜均無法觀察到明顯的相分離［圖4（C）和（D）］. 采用廣角掠入射X射線散射（GIWAXS）研究了二元和三元共混薄膜的堆積情況，圖4（E）和（F）為二維譜圖，圖S8（B）（見本文支持信息）為相應(yīng)的面內(nèi)和面外積分圖. 二元混合膜在=16.8 nm-1及=17.3 nm-1的面外方向上有（010）衍射峰，分別對應(yīng)于PM6及BTP-eC9純膜的（010）衍射峰［圖S8（A）］；而三元混合膜僅在=17.3 nm-1的面外方向上有（010）衍射峰，對應(yīng)于BTP-eC9的（010）衍射峰，相應(yīng)的-堆積距離為0.363 nm，進一步說明小分子給體DRDTBT的加入促進了受體材料 BTP-eC9的堆積并抑制了主要給體PM6的堆積.

Fig.4　AFM height images(A, B), TEM images(C, D) and 2D GIWAXS images(E, F) of the binary(A, C, E) and ternary blends(B, D, F)

(A)q=1.55 nm; (B)q=1.65 nm.

2.4　二元及三元光伏器件激子動力學

采用飛秒瞬態(tài)吸收光譜（fs-TAS）探究二元器件與三元器件中的激子動力學過程. 圖5（A）和（B）分別為二元和三元薄膜被760 nm的泵浦光激發(fā)后在不同延遲時間下的瞬態(tài)吸收光譜. 對于二元器件， BTP-eC9的基態(tài)漂白峰（GSB）出現(xiàn)在830 nm處， 623和580 nm出的信號峰可歸因于聚合物PM6（圖S9，見本文支持信息），表明受體BTP-eC9在受到激發(fā)后與聚合物PM6之間存在超快空穴轉(zhuǎn)移過程. 對于三元器件，也觀察到了與二元器件一樣的超快空穴轉(zhuǎn)移過程，但是并未觀察到BTP-eC9向DRDTBT的超快空穴轉(zhuǎn)移（圖S9， DRDTBT的吸收峰位于606和558 nm），因此，采用DRDTBT部分取代PM6可能會影響器件的超快電荷轉(zhuǎn)移過程. 圖5（C）和（D）展示了二元與三元器件在受激后的S1激發(fā)態(tài)壽命、電荷轉(zhuǎn)移（CT）態(tài)壽命和電荷分離（CS）態(tài)壽命，二元器件的S1態(tài)、 CT態(tài)及CS態(tài)壽命分別為0.78， 25.87和65.50 ns，而三元器件中S1態(tài)、 CT態(tài)及CS態(tài)的壽命分別為0.82， 43.22和5.63 ns，表明二元器件具有更快的激子形成和解離過程，并且實現(xiàn)了比三元器件更長的電荷分離態(tài)壽命，這應(yīng)該是三元器件的短路電流密度低于二元器件的主要原因.

Fig.5　TA spectra of binary(A) and ternary(B) films with the spectra of BTP?eC9 excited by 760 nm pump light with different delay times, lifetimes of three species in binary(C) and ternary films(D)

綜上所述，設(shè)計合成了一種寬帶隙小分子給體DRDTBT，并將其作為第三組分來優(yōu)化基于PM6∶BTP-eC9的二元器件性能，在采用10%小分子給體DRDTBT來取代主要給體PM6時，三元器件的PCE可達17.72%，相比于二元器件的17.22%有一定程度提高. 通過對共混膜進行紫外吸收和廣角掠入射X射線散射測試，發(fā)現(xiàn)DRDTBT會抑制主要給體PM6的堆積并促進受體BTP-eC9的堆積，對活性層形貌具有調(diào)節(jié)作用，進而提升了器件的填充因子；同時DRDTBT較深的HOMO能級可以有效提高三元器件的OC. 但是加入DRDTBT后，三元器件的SC略有下降，通過飛秒瞬態(tài)吸收光譜發(fā)現(xiàn)，受體BTP-eC9與DRDTBT之間不存在有效的超快空穴轉(zhuǎn)移，因此，在三元器件中采用DRDTBT部分取代PM6可能會影響器件的超快電荷轉(zhuǎn)移過程，進而影響器件的短路電流密度. 研究結(jié)果表明通過引入吸電子π橋來設(shè)計寬帶隙小分子給體第三組分可以有效提升有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，為有機光伏第三組分的設(shè)計提供了新的研究思路.

支持信息見http: //www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20230170.

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Ternary Organic Photovoltaic Devices Based on Wide-band Gap Small Molecule Donor Third Component

MAYifan#， ZHANGYamin#*， GANShengmin， ZHANGYuchen， FEIXian， WANGTing， ZHANGZeqi， GONGXuezhu， ZHANGHaoli*

（（），，，，，730000，）

Ternary strategy is an efficient way for improving the performance of organic solar cell. In this work， a highly crystallized organic small molecular donor（DRDTBT） was designed and synthesized as the third component of ternary organic solar cells. The introduction of a large conjugated unit dithieno［3'，2'：3，4；2''，3''：5，6］benzo ［1，2-c］［1，2，5］thiadiazole with electron-withdrawing ability deepened the highest occupied molecular orbital level of DRDTBT as well as enhanced the crystallinity of it. When employed DRDTBT as the third component of PM6∶BTP-eC9 active layer， the open circuit voltage of the photovoltaic device was strongly improved， furthermore， the morpho-logy of the active layer also was finely tuned. Benefit from the enhanced open circuit voltage and fill factor， the ternary device results in an improved performance than its binary counterpart， giving a high power conversion efficiency of 17.72% with an open circuit voltage of 0.86 V， a short circuit current density of 26.99 mA/cm2and a fill factor of 76.34%. This work proves that introducing highly crystallized electron-deficient units into the small molecule donors third component is an effective way to improve the performance of ternary organic solar cells.

Organic solar cell； Ternary strategy； Wide-band gap small molecule donor； Electron-deficient bridge unit

O629； O613.4； O644.1

A

10.7503/cjcu20230170

2023-04-01

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期： 2023-05-05.

聯(lián)系人簡介：張浩力, 男, 博士, 教授, 主要從事新型有機電子材料與光學材料的設(shè)計、合成與器件制備方面的研究. E?mail: haoli.zhang@lzu.edu.cn

張雅敏, 女, 博士, 研究員, 主要從事有機光電轉(zhuǎn)換材料與器件方面的研究. E-mail: zym@lzu.edu.cn

國家自然科學基金(批準號: 92256202, U22A20399, 22221001, 22005128)、高等學校學科創(chuàng)新引智計劃2.0(批準號: BP1221004)、甘肅省科技重大專項(批準號: 22ZD6GD060, 22ZD6FA006)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(批準號: lzujbky-2022-kb01, lzujbky-2021-sp59)和國家重點研發(fā)計劃項目(批準號： 2022YFE0133900)資助.

Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.92256202, U22A20399, 22221001, 22005128), the 111 Project 2.0, China(No.BP1221004), the Science and Technology Major Program of Gansu Province of China(Nos.22ZD6GD060, 22ZD6FA006), the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(Nos.lzujbky-2022-kb01, lzujbky-2021-sp59) and the National Key Research and Development Program of China(No.2022YFE0133900).

# 共同第一作者.

（Ed.： Y， K， S）