中科院化學所JACS：有機太陽能電池的能量轉換效率超過13％

【引言】

有機太陽能電池（OSCs）是一種將太陽能轉換成電能的新型光伏技術。與無機太陽能電池相比，它的優點是重量輕、可通過印刷的方式制備大面積柔性電池。有機太陽能電池的活性層是決定電池轉換效率高低的重要因素之一，它的活性層主要由p-型半導體材料和n-型半導體材料構成。研究者可以通過分子設計的策略優化p-型n-型半導體材料的基本性能，例如兩者的吸收光譜，分子能級及遷移率，從而影響電池的能量轉換效率。目前，大多數能量轉換效率超過11%的電池是基于聚合物給體材料和非富勒烯受體材料體系獲得的。值得一提的是，目前通過分子設計策略可以實現超過12%能量轉換效率的電池，因此，在高效率體系的基礎上，進一步設計和合成新材料對進一步提高能量轉換效率具有重要意義。

在過去幾十年中，研究者開發了許多有效的分子設計策略來調節有機半導體材料的光電性能，這些常見的策略包括給體-受體結構修飾，側鏈工程和特殊官能團的引入。其中，引入帶負電的氟原子是一種有效的分子設計策略。。氟化的有機半導體材料有以下優點。首先，氟化效應同時下移最高占據分子軌道（HOMO）和最低未占分子軌道（LUMO）水平，而不會導致目標分子的強空間位阻。第二，由于F ... H，S ... F等的非共價相互作用，在氟化分子中觀察到增強的分子間/分子內相互作用，這提高了它們的結晶度，從而促進了電荷傳輸。第三，氟化半導體材料有時具有比其非氟化對應物更高的吸收系數。最近，本文作者的研究表明，由聚合物給體PBDB-T和小分子受體ITIC共混制備的非富勒烯有機太陽能電池的能量轉換效率超過11%，為了進一步提高OSC的效率，研究人員通過引入烷硫基和氟原子優化聚合物給體材料PBDB-T,得到新的聚合物給體材料PBDB-T-SF，同時他們進一步對受體材料ITIC進行氟化優化，得到新的非富勒烯受體材料IT-4F，并將兩種材料共混制備有機太陽能電池，該電池可以取得13%的能量轉換效率，他們進一步將該電池送往中國計量科學研究院進行第三方驗證，最終該電池取得了13.1%的能量轉換效率，這是目前報道的有機太陽能電池的最高效率。

【成果簡介】

近日，J. Am. Chem. Soc刊登了一篇題為“Molecular Optimization Enables over 13% Efficiency in Organic Solar Cells”（原文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b02677）的文章，報道了中國科學院化學研究所侯劍輝研究員課題組，通過分別對PBDB-T和ITIC材料加氟的分子策略設計合成了PBDB-T-SF和IT-4F的合理分子優化，以提高所得OSC的光伏性能。與未加氟處理的給體PBDB-T和受體ITIC相比，新的聚合物給體PBDB-T-SF和小分子受體IT-4F的分子能級均有下降，這一設計策略可以保證拓寬光譜的同時，仍可獲得較高的電壓。PBDB-T-SF和IT-4F的消光系數均有提高。

【圖文導讀】

圖一：氟化給體和受體的分子結構及合成步驟

（a）氟化給體和受體的分子結構。 （b）氟化給體和受體的合成步驟。

圖二：給體和受體的吸收光譜和分子能級

（a）吸收光譜和（b）給體和受體的分子能級。

圖三：器件性能參數

（a）基于PBDB-T-SF：IT-4F電池的J-V曲線和效率的統計分布圖（b）EQE曲線和（c）器件性能參數（PCE，JSC，VOC和FF）與活性層厚度的關系。 （d）基于PBDB-T-SF：IT-4F電池的穩定性測試。

圖四：共混薄膜AFM和TEM圖像

基于PBDB-T-SF:IT-4F共混薄膜的形貌：AFM（a）PBDB-T-SF：IT-4F的高度和（b）相圖和（c）基于PBDB-T-SF：IT-4F共混薄膜的TEM圖。

【小結】

在這項工作中，研究人員分別對聚合物給體材料和非富勒烯受體材料進行了分子優化。 通過分子設計策略成功地設計和合成了一種新的聚合物給體PBDB-T-SF和小分子受體IT-4F。 與PBDB-T和ITIC相比，PBDB-T-SF和IT-4F能級同時降低，受體IT-4F的吸收光譜拓寬，兩者的消光系數和遷移率均有提高，使用這一新的材料組合時可以取得較高的能量轉換效率，最佳的電池可以取得13%以上的能量轉換效率。此外，基于PBDB-T-SF：IT-4F的電池表現出較好的膜厚容忍性，他們的研究同時表明該類器件有較好的穩定性。該工作為有機太陽能電池的發展提供新的機遇。

文獻鏈接：Molecular Optimization Enables over 13% Efficiency in Organic Solar Cells（J. Am. Chem. Soc.，2017，DOI: 10.1021/jacs.7b02677）

本文由材料人新能源學術組 背逆時光 供稿，材料牛整理編輯。

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