简单受体分子助力低能量损失的有机太阳能电池

来源：X一MOL资讯

有机光伏由于成本低、柔性以及容易加工，受到了广泛关注。与富勒烯衍生物例如PCBM比较，近期颇受关注的非富勒烯受体材料合成简单，能级容易控制而且形貌也容易调控。非富勒烯受体可以通过设计与给体材料能级更匹配，这样可以实现更低的电压损失，而且可以吸收与给体材料互补的光谱，从而增加有机太阳能电池的光电转换效率。基于BT、DPP、NDI等强吸电子基团的受体材料，已经实现了5%-9%的光电转换效率，而基于PDI的分子，更是实现了8%-10%的光电转换效率。最成功的受体当属ADA型的小分子材料，基于ADA的小分子受体材料，其光电转换效率已经实现了16%。但是对于该类型的ADA型受体分子，其中间一般为一个稠环作为核，这种核的合成步骤较长，成本较高。因此，需要开发更多简单的非富勒烯受体。

最近，韩国京畿大学Eunhee Lim和韩国化学技术研究所（KRICT）Chang Eun Song等研究者利用连二噻吩作为给体单元、罗丹宁（rhodanine）作为末端受体单元，合成了结构非常简单的非富勒烯受体T2-ORH（图1b）。在无添加剂的单结电池中，PTB7-Th:T2-ORH共混膜可实现1.07 V的开路电压、14.72 mA cm-2的短路电流和9.33％的效率。重要的是，优化的器件显示出非常低的能量损失0.51 eV，其中通过溶剂退火（SVA）处理有效地抑制了双分子和单分子电荷复合。这种共混膜具有非常光滑和均匀的形态，在装置中可提供垂直和平行的电荷传输。

图1. （a） 分子的计算模拟，（b） 分子的合成步骤，（c）吸收谱图，（d）电化学能级测试，（e）能级排布图。图片来源：Adv. Energy Mater.

非富勒烯受体T2-ORH的合成如图1b所示，非常简单，总共只有两步，这大大节省了成本。T2-ORH整个分子的共轭性非常好，而且平面性也很强。其薄膜吸收在加热或者热退火之后在500-600 nm处明显增强，说明分子间的相互作用明显增强。T2-ORH的LUMO能级比ITIC更向上移动，但是与PTB7-Th的相关能级仍具有非常好的LUMO与HOMO的差值，这保证了激子的解离及电荷的传输。

如图2及表1所示，基于PTB7-Th:T2-ORH共混膜的有机太阳能电池器件在溶剂退火处理之后，短路电流与填充因子都大幅度增加，效率也随之增加，其中倒装电池器件的效率增加最为明显，最高效率可以达到9.33%。通过图2b可以看出，T2-ORH在溶剂退火处理后对于外量子效率的贡献明显增强，其共混膜中的光伏响应在400-600 nm范围内大幅度提高。

图2.（a）器件的电流-电压曲线，（b）薄膜的吸收及器件的外量子效率曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

表1. 两种结构器件的光伏参数表。图片来源：Adv. Energy Mater.

PTB7-Th:T2-ORH共混膜在溶剂退火处理之后，不仅表面的粗糙度降低，而且内部的形貌也更加平滑，这也是其效率增大的关键因素。

图3. 原子力显微镜图（a）直接旋涂（b）加热（c）溶剂退火处理，（d）直接旋涂的TEM图片，（e）溶剂退火的TEM图片。图片来源：Adv. Energy Mater.

基于PTB7-Th:T2-ORH共混膜的电池器件在溶剂退火处理后，其双分子复合及缺陷导致的复合均明显降低，几乎可以忽略不计。这也是溶剂退火处理后效率增高的重要原因。

图4.（a）短路电流与（b）开路电压相对于光强的变化曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

综上，作者设计合成了结构非常简单的非富勒烯受体，只需两步即可合成。将其应用于有机光伏器件之后，经过溶剂退火处理，其效率明显提高，最高可以达到9%。尽管这一效率还落后于常规基于ADA型非富勒烯受体的器件，但是简单易合成的分子，却是非富勒烯受体未来发展的重要方向。