Adv. Mater.：如何為高效的非富勒烯有機太陽能電池選擇合適的聚合物給體？

【研究背景】

有機太陽能電池（OSCs）在高效、低成本利用太陽能方面具有廣闊的應用前景。經過近幾年的迅猛發展，以富勒烯衍生物作為受體的有機太陽能電池的能量轉化效率（PCEs）已經達到了11%。雖然如此，富勒烯衍生物作為受體材料的OSCs的有其發展瓶頸，一是吸光弱，而是能級固定。從而限制了材料結構設計的靈活性，加之有機半導體本身吸光范圍窄，經一步提高PCEs顯得尤為困難。

為了克服富勒烯衍生物受體的這兩個缺陷，近來發展出了兩種典型的稠環非富勒烯受體，一種是酰二胺基的受體分子，另一種是茚二噻吩或二噻吩并茚二噻吩基的A-D-A型小分子受體。其中，以后者作為受體的OSCs的PCEs已經超過了11%，顯示了極大的發展潛力。

然而，如何選擇有效的給體材料與新的非富勒烯受體材料匹配，從而進一步提高OSCs的PCEs又成為了一個新的問題。

【成果簡介】

近日，北京大學材料科學與工程系占肖衛教授（通訊作者）研究組與國內諸多著名研究組合作，提出了與非富勒烯受體匹配的給體材料選擇的三個基本標準：其一，能級匹配。提供有效的激子解離驅動力，并能最大化開路電壓；其二，吸收光譜互補。吸收足夠多的太陽光提供盡可能大的短路電流；其三，形貌兼容。實現理想的相分離尺度、純度和聚集，有利于激子解離和電荷輸運，提高填充因子和短路電流。

選擇窄帶隙的IDIC小分子作為受體材料，與五種當前最高效的給體材料匹配，將材料的帶隙、能級和形貌優化三個因素與能量轉化效率關聯，有效地驗證了這三個設計標準。

【圖文解讀】

圖一? 給體和受體材料的分子結構、光伏性能和外量子效率曲線

(a)五種給體材料和IDIC小分子窄帶隙受體材料的分子結構。其中，PTB7-Th為窄帶隙給體，其它四種給體為寬帶隙。

(b)各種給體與IDIC受體結合的J-V曲線。

(c)各種給體與IDIC受體結合的外量子效率曲線。窄帶隙的PTB7-Th與IDIC受體結合時，在短波長區域的吸收弱。

圖二? 兩種最高效率的給體材料電池在DIO添加劑優化前后的J-V曲線、外量子效率曲線以及短路電流-光照強度曲線

(a)兩種高效率給體材料電池添加DIO前后的J-V曲線。其中，PTFBDT-BZS給體-IDIC受體添加DIO前后的PCEs分別為8.06%和11.03%；PDBT-T1分別為9.20%和10.37%。

(b) 兩種高效率給體材料電池添加DIO前后的外量子效率曲線。

(c) 兩種高效率給體材料電池短路電流密度與光照強度的關系曲線。表明了添加DIO后激子的雙分子復合幾乎為零，電池的短路電流明顯提高。

表一? 不同給體條件下太陽能電池的光伏性能參數(c,d分別為添加0.25%和0.5%DIO時的性能)

圖三? 兩種最高效率的給體-受體薄膜添加DIO前后的二維掠入射X射線散射圖以及面內和面外的剖面圖

(a)二維略入射X射線散射圖。

(b)面內和面外的剖面圖。

添加DIO后，給體和受體材料的π-π堆積和結晶尺寸都增加了。

圖四? 兩種最高效率的給體-受體薄膜添加DIO前后的共振軟X射線散射圖

添加DIO后，給體和受體的純度提高了，減小了電荷的復合損失。

圖五? 兩種最高效率給體和受體的電致發射光譜和光致發射光譜

(a)電致發射光譜

(b)光致發射光譜

經過添加劑對形貌進行優化后，IDIC受體對發射光譜的貢獻大大增加。

圖六? 兩種最高效率給體和受體薄膜的暫態吸收光譜

暫態吸收光譜證實給體和受體同時有效地貢獻了光生電流的產生，表明了給體和受體良好的共混性。也表明了電荷轉移態的孿生復合是未通過DIO優化的電池的短路電流過低的主要原因。

【小結】

基于五種高效的聚合物給體材料，與IDIC小分子受體結合，篩選出了與IDIC匹配的兩種高效的給體聚合物PDBT-T1和PTFBDT-BZS，經過DIO添加劑優化后，能量轉化效率進一步達到了10.37%和11.03%。對活性層形貌和器件發射光譜的深入研究表明了DIO添加劑有效提高了材料的純度、結晶度、取向性以及共混性，從而有利于二者之間光生電荷的產生和轉移。本研究為與非富勒烯受體匹配的高效給體材料的篩選和電池性能優化提供了重要的指導。

文獻鏈接: Mapping polymer donors toward high-efficiency fullerene free organic solar cells.(Adv. Mater.,DOI:10.1002/adma.201604155)

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