AFM：引入3D型苝酰亚胺类客体受体，实现高性能三元有机太阳电池

第一作者：刘明

通讯作者：张勇*，彭强*

单位：哈尔滨工业大学，四川大学

近年来，由于Y系列稠环非富勒烯电子受体材料（Y6及其衍生物）地发展，有机太阳电池（OSCs）的光电转换效率（PCE）被不断刷新；而在高效率的二元体系（如PM6:Y6）中引入第三组分—三元策略，已成为当前进一步提高器件性能最为简单且有效的方法。目前的高效率三元器件中，第三组分也多为Y6的衍生物。因此，主受体与客受体的吸收光谱严重重叠，三元器件在短路电流密度上难以获得明显的提高。此外，这类受体分子的合成及提纯通常较为复杂，不利于降低器件的制备成本。考虑到未来的商业化应用等因素，有必要发展易于制备的受体分子作为第三组分以提升器件性能。

基于此，来自哈尔滨工业大学的张勇教授与四川大学的彭强教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“High-Performance Ternary Organic Solar Cells Enabled by Integrating a 3D-Shaped Guest Acceptor Derived from Perylene Diimide”的研究文章。该工作报道了一种具有3D结构的苝酰亚胺类小分子受体材料（TPA-4PDI），并将其作为第三组分引入到经典的PM6:Y6体系中制备三元有机太阳电池。除能级匹配之外，TPA-4PDI在600 nm以下的强吸收能够与PM6、Y6的吸收形成良好的互补。TPA-4PDI与Y6具有非常好的相容性，将TPA-4PDI作为第三组分能够抑制Y6的过度聚集，起到优化PM6:Y6形貌的重要作用，从而能够抑制三元器件中的电荷复合，促进激子分离与电荷收集，提高载流子的迁移率。因此，PM6:Y6:TPA-4PDI三元器件的开路电压V_oc、短路电流密度J_sc和填充因子FF同时得到提高，使得三元器件获得了18.29%的光电转化效率。

图1. （a）聚合物给体PM6，主受体Y6和第三组分TPA-4PDI的化学结构。（b）PM6，Y6和TPA-4PDI的薄膜吸收光谱。（c）Y6纯膜，Y6:TPA-4PDI不同比例混合薄膜的荧光光谱。（d）PM6，Y6和TPA-4PDI的能级分布图。（e）PM6，Y6和TPA-4PDI薄膜的接触角。

TPA-4PDI的合成路线简单，在降低器件制备成本方面具有优势。以金刚烷作为中心核，赋予了TPA-4PDI 3D型的空间结构，使之能够有效抑制自聚集并促进电荷的多维传输。

TPA-4PDI在450-600 nm范围内具有很强的吸收，与PM6，Y6的吸收光谱具有良好的互补，其荧光光谱与Y6的吸收亦具有良好的重叠；其引入可有效增强太阳光的利用率，从而提高三元器件的短路电流密度J_sc。TPA-4PDI的LUMO能级介于PM6与Y6之间，有利于提高开路电压V_oc。TPA-4PDI与Y6的形容性极好，这有利于抑制Y6的过度聚集和保证优良的活性层形貌。

要点三：引入TPA-4PDI抑制载流子复合，促进电荷传输，提升活性层形貌

TPA-4PDI的引入可抑制陷阱及双分子复合，提高激子解离效率与电荷收集效率，提高载流子迁移率并使电荷传输性能更加平衡。此外，TPA-4PDI的添加可轻微抑制Y6的过度聚集，从而优化活性层的形貌。

要点四：三元器件的光伏参数同时获得提高，器件性能明显提升

引入TPA-4PDI后，三元器件的开路电压V_oc、短路电流密度J_sc和填充因子FF分别达到0.849 V, 27.55 mA cm^-2和78.21%，三元器件光电转化效率（PCE）达到18.29%。这一效率值也为当前以苝酰亚胺类受体为第三组分的三元器件中的最高效率。与PM6:Y6（PCE=16.63%）二元器件相比，效率的提升主要源于Jsc和FF的明显提高。

彭强教授简介：博士，教授，博士生导师，四川大学高分子材料工程国家重点实验室固定研究人员。长期从事光电能源材料与器件的研究工作，主要涉及有机高分子太阳能电池、电致发光材料与器件，碳基纳米能源材料与器件等。先后主持或参与科技部重大研究计划、国家自然科学基金、科技部国际合作项目、教育部新世纪优秀人才支持计划项目等国家和省部级科研课题。

张勇教授简介：博士，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学材料学院教师。长期从事有机光电材料与器件的研究工作，主要包括有机聚合物太阳电池和有机电致发光，先后主持或参与科技部、国家自然科学基金等国家和省部级科研项目。

High-Performance Ternary Organic Solar Cells Enabled by Integrating a 3D-Shaped Guest Acceptor Derived from Perylene Diimide

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202300214

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