近几年来，得益于非富勒烯受体材料的快速发展，有机太阳能电池的光电转换效率不断攀升。目前，单层有机太阳能电池的能量转换效率（PCE）已突破了16%。尽管文献已经报道了诸多高性能非富勒烯受体材料，但多数基于非富勒烯的器件在获得高PCE时往往需要经历繁琐的制备工艺。此外，非富勒烯有机太阳能电池同样也面临着诸多其他的挑战，如稳定性，厚膜，工业印刷等。
最近，南京理工大学唐卫华教授和阿卜杜拉国王科技大学 Derya Baran课题组合作，报道了一系列基于二噻吩并[3,2-b:2′,3′-d]吡咯（DTP）稠环电子核（INP）的受体材料（p-INPOIC和m-INPOIC），成功地从分子设计层面解决了器件制备过程繁琐的问题（图1）。在之前的工作中发现该团队开发的基于INP核的受体材料INPIC-4F表现出极强的结晶性，导致在器件制备过程中高性能器件的可重复性不高。因此常常需要繁琐的器件制备工艺，从物理角度对材料本身的聚集行为进行调节以获得稳定的高性能器件。此外，基于INPIC-4F的器件性能对活性层厚度较为敏感，大大限制了其商业化应用前景。针对这一问题，他们从稠环分子侧链工程入手，通过在稠环骨架两侧苯环间位或对位引入烷氧基链对受体材料本身的结晶性和分子堆积行为进行调控。其中 m-INPOIC的侧链更加扭曲，因此表现出更弱的结晶性，与此同时m-INPOIC展现出高度统一的分子面内堆积取向。在与给体聚合物PBDB-T匹配制备有机太阳能电时，基于m-INPOIC的as-cast器件其PCE可达12.1%。而当PC71BM作为固体添加剂加入m-INPOIC体系后，器件的PCE进一步提升，同时展现出对活性层厚度的高度宽容性和器件稳定性。该文章发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials 上（影响因子：15.621）。
图1. (a) INPIC-4F, p-INPOIC和m-INPOIC的分子结构；(b) INPIC-4F, p-INPOIC和m-INPOIC薄膜的二维GIWAX, (c)以及在面内和面外方向的简化一维GIWAXS剖面图；(d) INPIC-4F, p-INPOIC和m-INPOIC的分子堆积模式示意图。图片来源：Adv. Funct. Mater.
从紫外可见吸收中可以看出（图2a），随着分子侧链扭曲程度的增加，吸收表现出略微的蓝移现象。在与给体聚合物PBDB-T匹配制备有机太阳能电池时，基于m-INPOIC的as-cast器件的PCE到达12.1%，明显高于基于INPIC-4F和 p-INPOIC电池效率。从J-V曲线和外量子效率图（图2b,c）可以看出，PBDB-T/m-INPOIC具有更高的开路电压和短路电流。
图2. (a) PBDB-T, INPIC-4F, p-INPOIC和m-INPOIC的吸收光谱；(b) HOMO 和LUMO能级；(c)J-V曲线；(d) EQE曲线。图片来源：Adv. Funct. Mater.
为了进一步探究基于m-INPOIC器件实际应用的可能性，PC71BM作为固体添加剂加入到m-INPOIC体系（图3）。由于PC71BM出色的电子传输性能和一定的形貌调节作用，通过简单的优化材料配比基于PBDB-T/m-INPOIC/ PC71BM (1:1:0.15, w/w/w)的器件的光电转化效率达到了14%。此外，作者也对活性层厚度对器件性能的影响，以及器件稳定性进行了研究，发现基于PBDB-T/m-INPOIC/ PC71BM 的器件在膜厚超过300nm的情况下，PCE依旧可以维持在11%以上，同时器件具有良好的贮存稳定性，持续光照稳定性，以及热稳定性。
图3. (a)J-V曲线；(b) EQE曲线；(c)文献报道的as-cast器件效率与膜厚关系图；(d)效率与膜厚的关系图；(e) 贮存条件稳定性，PCE与时间的曲线。图片来源：Adv. Funct. Mater.
该工作为从分子设计层面简化器件制备工艺，为早日实现太阳电池的实际应用提供一种新的思路。
Molecular Orientation Unified Nonfullerene Acceptor Enabling 14% Efficiency As‐Cast Organic Solar Cells
Haohao Feng, Xin Song, Zhuohan Zhang, Renyong Geng, Jiangsheng Yu, Linqiang Yang, Derya Baran, Weihua Tang
Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1903269, DOI: 10.1002/adfm.201903269
https://www.x-mol.com/university/faculty/21260
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
X-MOL资讯