JACS：极低能量损失、宽光学响应的有机太阳能电池- 大数跨境

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2018-03-13

导读：华盛顿大学西雅图分校的Alex K.-Y. Jen教授课题组合成了两个螯状的非富勒烯受体材料DTPC-IC和DTPC-DFIC。

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近十年来，体异质结有机太阳能电池（OSCs）已经被认为是进行光电转化的最有前景的技术之一。到目前为止，富勒烯体系的OSCs已经获得高达12%的器件效率；而基于非富勒烯体系的OSCs发展更为迅猛，器件效率高达13%。单晶硅太阳能电池的光吸收范围能达到1100 nm，然而已经报道的基于茚二噻吩（IDT）或茚二噻吩并噻吩（IDTT）的非富勒烯OSCs光吸收范围仅到850 nm左右。因此，科学家需要开发设计光吸收范围拓展到1000 nm并同时具有高效率的电子受体，不过这一任务并不简单，面对着很大的挑战。在减小带隙的同时，伴随着LUMO能级的下移以及HOMO能级的抬高，使得与给体材料的能级不匹配。精心调节能级以获得窄带隙的材料，一个有效方法就是提高分子内的电荷转移。而富电子芳香环由于易氧化以及易光分解，所以合成制备比较困难。

最近，华盛顿大学西雅图分校的Alex K.-Y. Jen教授课题组合成了两个螯状的非富勒烯受体材料DTPC-IC和DTPC-DFIC（图1），这两个材料都含有富电子的环DTPC，并且具有较窄的带隙（约1.21 eV）。以DTPC-DFIC为受体，PTB7-Th为给体的器件获得高达10.21%的器件光电转换效率（PCE）。并且该器件的能量损失仅为0.45 eV。

图1. （a）DFT计算得到的不同核能级示意图；（b）受体材料结构式；（c）前线轨道的优化几何示意图以及轮廓图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者测试了薄膜的吸收光谱（如图2a），DTPC-IC和DTPC-DFIC在720 nm到970 nm表现出了很强的吸收。特别是DTPC-DFIC吸收边到1021 nm，从而计算得到带隙为1.21 eV。作者通过CV测试得到的能级如图2b所示。为了探究DTPC-IC和DTPC-DFIC的性能，作者制备了电池器件。从图2c可以看出，DTPC-OSCs在近红外区具有宽波谱相应，并且基于DTPC-DFIC的电池从500 nm到900 nm展现了60%的外量子效率（EQE），在650 nm时达到最大值69%。

图2. （a）PTB7-Th，DTPC-IC和DTPC-DFIC薄膜的吸收光谱；（b）HOMO和LUMO能级；（c）EQE曲线；（d）J-V曲线。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

从J-V曲线（图2d）以及表1中可以看出，作者通过加入DIO作为添加剂后PTB7-Th:DTPC-DFIC器件的短路电流密度（J_sc）和填充因子（FF）都有大幅提高，最终器件PCE高达10.21%，根据公式E_loss = E_g ^opt– eV_OC，计算得到相应能量损失低至0.45 eV，是文献报道的高效OSCs（PCE > 7%）体系中的最低值。然而没有氟代的PTB7-Th:DTPC-IC器件效率仅为3.12%，效率的差距可能与电荷分离以及成膜形貌的不同有关。

表1. 器件光伏参数。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图3. （a）光学带隙与eV_OC关系图；（b）EQE最大值与能量损失关系图；（c）能量损失与效率关系示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

如图3所示，展示了基于本文新受体材料的能量损失与各个参数的关系。首先如图3a所示，本文报道的材料的能量损失是在迄今报道的最低值之一。低能量损失容易压制LUMO的差值，造成激子解离困难，从而影响到EQE，所以低能量损失却拥有较高的EQE是OPV领域一直寻求的目标。如图3b所示，本文报道的器件不仅能量损失低，而且EQE也是低能量损失的器件中非常高的。如图3c所示，本文所报道的器件不仅具有低能量损失，还具有较高的光电转换效率。

总之，本文作者设计合成了新型的非富勒烯受体材料，其光学响应可超过1000 nm，能量损失极低，同时EQE可以达到70%，还获得了大于10%的光电转换效率。

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