【导师解析】浙大陈红征课题组AM: 高效低能损有机光伏电池的非对称电子受体- 大数跨境

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【导师解析】浙大陈红征课题组AM: 高效低能损有机光伏电池的非对称电子受体

科学材料站

2020-05-16

导读：本文提出了一种新的非富勒烯受体分子（NFA）设计方法。两个NFA，BTP‐S1和BTP‐S2，是通过将卤代茚二酮（A1）和卤代氰基茚酮（A2）作为两个不同的吸电子性末端引入到中心稠合单元（D）上而构建

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导读

低能量损失(Eloss)和小驱动力下的有效电荷分离是实现有机光伏（OPVs）高光电转换效率(PCE)的前提。

为了同时解决这两个问题，陈红征教授和施敏敏教授等人在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“Asymmetric Electron Acceptors for High‐Efficiency and Low‐Energy‐Loss Organic Photovoltaics”的论文, 李水兴博士后是本文的第一作者。

导师解读

目前用于有机光伏电池的高性能电子受体大多基于对称结构，本文提出了对电子受体进行不对称封端的分子设计新思路，将茚二酮和氰基茚酮分别作为两个吸电子性端基，不但便于引入多达六个卤素原子以抑制能量损失，而且电子受体与电子给体间可实现快速有效的电荷分离，从而获得了高效率的有机光伏电池。

具体地说，本文提出了一种新的非富勒烯受体分子（NFA）设计方法。两个NFA，BTP‐S1和BTP‐S2，是通过将卤代茚二酮（A1）和卤代氰基茚酮（A2）作为两个不同的吸电子性末端引入到中心稠合单元（D）上而构建的。这种具有A1-D-A2结构的不对称NFAs在与聚合物给体PM6混合时表现出优越的光伏特性。能量损失分析表明，末端含六个氯原子的不对称分子BTP-S2使相应的器件具有2.3×10-2%的优异电致发光量子效率，比基于对称分子Y6（4.4×10-3%）的器件高一个数量级，从而显著降低了相应器件的非辐射损失和能量损失。

此外，末端含多个卤素原子的不对称BTP-S1和BTP-S2向给体PM6呈现出快速空穴转移的行为。因此，基于PM6:BTP-S2共混膜的OPVs实现了16.37%的PCE，高于基于PM6:Y6的OPVs（15.79%）。进一步采用三元共混膜（PM6:Y6:BTP‐S2）可以实现17.43%的PCE，这是单结OPVs的最高效率之一。该工作通过分子设计新策略，提供了一种有效途径，来显著降低有机光伏电池的能量损失并促进电荷分离。

关键词

不对称受体, 电荷分离, 分子设计, 非富勒烯受体, 有机光伏

背景简介

1. 探究高效低损孙有机光伏电子受体的进展

具有本体异质结（BHJ）活性层的有机光伏电池最近在效率方面取得了很大的进展，主要得益于p型给体和n型受体的材料创新。特别是对于具有受体-给体-受体（A-D-A）结构的非富勒烯受体（NFAs），富电子核（D）与缺电子末端（A）的结构修饰，已经创造了许多吸收范围从可见光到近红外区域且能级可调谐的高性能材料。

Zou课题组提出的基于BTP的NFA，如Y6及其衍生物，具有高度face-on（平行于基底）取向、高载流子迁移率和低能量损失（器件中具有高电致发光量子效率（EQEEL）），从而使有机光伏电池可以实现超过17%的光电转换效率。与富勒烯类受体相比, 高效的NFA在较小的驱动力下，仍可以表现出相对较低的OPVs能量损失和快速的电荷分离。

2. 探究高效低损孙有机光伏电子受体的意义

虽然在这方面的研究已经取得了一些进展，但与硅和钙钛矿太阳电池相比，基于NFA的OPVs的能量损失仍然明显偏大。降低OPVs能量损失的一个常用方法是缩小BHJ中p型给体和n型受体之间的能级差，但这难免会影响BHJ的电荷分离效率，因此，在不牺牲电荷分离效率的前提下，通过分子结构的创新，探索降低OPVs能量损失的新策略具有重要意义。

3. 在材料设计中提出的问题

材料的卤化对器件性能的提高起着重要的作用。卤素原子，如氟和氯原子，可以给NFAs带来诸多好处，包括分子间的相互作用、分子偶极、静电势的增加，以及能级的调控。有报道称，NFAs上的卤化对降低OPVs的能量损失也有积极的作用。在能量损失的三个部分（带隙以上的辐射损失、带隙以下的辐射损失和非辐射损失）中，非辐射损失是影响能量损失的关键因素，该部分损失可以通过增强器件的EQEEL来降低。因此，对于NFAs末端的卤素类型和数量是否会对EQEEL产生影响，进而抑制能量损失的问题，值得探索与研究。

文章介绍

作者提出了一种新的具有A1-D-A2不对称结构的NFAs分子设计方案：以茚二酮和氰基茚酮分别为末端的不对称电子受体。与基于不对称给体核D的NFAs不同，具有不对称末端A1和A2的NFAs可以利用茚二酮和氰基茚酮之间的反应活性差异，以更简易的方法合成，从而避免了不对称核复杂的合成过程，该方案未来还可以通过各种D、A1和A2模块的组合，使NFAs的类型多样化。特别是，它能够在分子末端引入六个卤素原子，为研究含更多卤素原子的NFAs的能量损失提供了很好的研究样本。

第一作者解读

有机光伏电池近几年在光电转换效率上快速提升，缩短了与钙钛矿太阳电池之间的差距。然而在能量损失方面，有机光伏电池仍旧偏大，成为限制效率进一步提升的主要障碍之一。该工作创新性地提出了不对称封端受体的设计思路，结合了茚二酮和氰基茚酮的各自优势，并将分子中卤素原子含量尽可能最大化（六卤素），不仅提升了材料的电致发光量子效率，从而降低能量损失，而且促进了电荷分离，有效解决了能量损失与电荷分离之间的矛盾，从而实现效率上的突破。

作者发现，基于聚合物给体PM6和不对称受体BTP-S2（含六个氯原子）共混膜的OPVs，表现出最高的EQEEL，从而降低了非辐射损耗。同时，在它们的共混膜中，从BTP-S2到PM6的空穴转移也更快。最终，基于PM6:BTP-S2共混膜的二元OPVs的效率最高为16.37%，而基于PM6:Y6:BTP-S2共混膜的三元OPVs的效率进一步提高到17.43%，这是单结OPVs的最佳结果之一。这项工作为高性能NFAs提供了一种新的设计思路，从而实现高效率和低能量损失的OPVs。

图1. 化学结构示意图和相关性能比较

a) Chemical structures of BTP‐S1, BTP‐S2, and Y6.

b) Absorption spectra of BTP‐S1 and BTP‐S2 in 10−6 m chloroform solutions.

c) Normalized absorption spectra of PM6, Y6, BTP‐S1, and BTP‐S2 thin films.

d) Schematic energy level alignment of the studied materials.

导师点评

不对称电子受体不仅在结构多变性上相较于对称受体具备优势，同时还能带来不同于对称受体的独特优势，例如增强的分子间相互作用、偶极矩等，因此，不对称电子受体未来具备广阔的发展前景，从而助推有机光伏电池在效率上实现进一步的突破。

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001160

导师简介:

陈红征,浙江大学博士, 教授

现任浙江大学高分子复合材料研究所所长, 兼任中国化学会有机固体专业委员会委员、中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事和副秘书长、中国图像科学与工程学会理事会副理事长、高分子合成与功能构造教育部重点实验室学术委员会委员、能量转换与存储材料化学教育部重点实验室学术委员会委员、浙江省复合材料学会副理事长、《材料科学与工程学报》和《材料研究学报》期刊编委等。

主要从事有机高分子光电功能材料与器件的研究与教学工作，先后主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大项目课题/重点/ 重大（重点）国际合作、973项目课题和863重点项目等国家和省部级项目20多项；在Adv. Mater., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater. 等本领域著名学术刊物发表SCI收录论文300多篇，SCI论文他引超过8000多次，获国家授权发明专利42项, 国际会议邀请报告60多次，组织国际会议8次。获国家教委科技进步三等奖1项（1995年），荣获浙江省教育工会“事业家庭兼顾型”先进个人（2003年）、浙江省三八红旗手（2008年）、全国女职工建功立业标兵（2009年）和浙江省巾帼发明者（2009年）等荣誉称号。

资料来源: https://person.zju.edu.cn/0094155

Fengling Zhang，Professor

In 2014 Prof. Fengling Zhang became one of Linkoping University's two Thomson Reuters Highly Cited Researchers, ranking among the top 1% most cited in her subject field and year of publication, and earning her the mark of Exceptional Impact as certified by Thomson Reuters.

Prof. Zhang's work centers on organic based solar cells made from organic solutions which, compared to silicon based solar cells, have an advantage in their low cost. Layer structure organic solar cells based on organic materials can also be printed on flexible substrates and be semi-transparent for installation on windows.

For full scale production the solar cell is printed using a rotary press on a continuous substrate, leading to a high production speed and low production cost.

资料来源：https://liu.se/en/employee/fenzh60

施敏敏，浙江大学，教授，博士生导师

中国科技大学材料系学士（1993），浙江大学高分子系理学硕士（1996），工学博士（2004）。长期从事有机半导体材料与器件的基础和应用研究。先后负责国家自然科学基金面上项目4项、青年科学基金项目1项、国家自然科学基金-以色列科学基金联合资助项目1项、浙江省自然科学基金杰出青年项目1项和面上项目2项。已在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.和Energy Environ. Sci.等期刊上发表SCI论文140多篇，引用7000多次，授权中国/美国/英国专利26项。

研究方向