蘇州大學廖良生EES：近紅外非富勒烯電子受體用于有機太陽能電池

【引言】

近紅外（NIR）有機半導體材料由于其典型的帶寬（Eg）小于1.5 eV，在有機電子器件領域內掀起了一股研究熱潮。在有機光伏領域，NIR響應分子優點顯著，Eg介于1.2 eV~1.5 eV的分子可以吸收約占太陽輻射強度50%的近紅外區段，提高太陽光的吸收利用率，此外，該類分子還具有一些較為特殊的物理特性，如較強的偶極矩、較低的激活鍵能和半透明特性等，有益于吸收近紅外光而透射大部分的可見光。

由于新型光吸收材料的引入，共軛非富勒烯（NF）受體基聚合物太陽能電池（PSCs）展現出了一片較為廣闊的發展前景。當具有紫外可見光吸收的共軛高分子聚合物能夠有效地吸收近紅外區段的太陽光時，高分子給體和共軛受體二者就均可作為吸收材料來使用。在設計NF材料時，NF受體中共軛鍵數量的增加可以有效地拓展材料的吸收邊緣。此外，通過在共軛體系中改變取代基類型、結構重組，以及使用較強取代基團增強分子內電荷轉移（CT）效應，可以實現共軛NF受體吸收光段的調控。最近研究表明，新型NF受體基聚合物太陽能電池的能量轉化效率（PCE）已經可以達到12%。然而，大多數報道的高性能NF受體的高吸收波段依然停留在紫外可見光區段，在近紅外區段的NF受體卻鮮為報道。在NIR受體的研發中，目前還存在一個較大的挑戰，即如何調諧驅動力和電壓損失這對一矛盾，尤其當禁帶寬度很小時，這一問題更是難以解決。在進行分子設計時，為了降低帶寬就必須使分子具備較高的HOMO能級和LUMO能級，但較高的HOMOs能級同時又降低了聚合物與受體之間的能量補償，從而減小了驅動力，影響到了光生載流子分離。因而，如何調諧這一矛盾是目前高性能NIR受體設計的重中之重。

【成果簡介】

近日，蘇州大學廖良生教授團隊在Energy Environ. Sci.上發表了一篇題為“A Near-Infrared Non-Fullerene Electron Acceptor for?High Performance Polymer Solar Cells”的文章，研究人員成功設計并合成了一種新型剛性梯形NIR受體（BT-IC），并將其應用于有機太陽能電池。通過瞬間吸收光譜表征發現BT-IC的帶隙寬度Eg為1.43 eV，吸收邊緣延展到了近紅外區段。BT-IC 與兩種中間帶隙高分子材料J61結合制成有機太陽能電池后，該PSCs的PCE可達到9.6%，Voc達0.87 V，與J71結合制成PSCs后，PCE可達10.5%，Voc達0.90 V。研究人員發現，盡管HOMO-HOMO能量偏移（?E_H）低至0.10 eV，比實現電荷有效分離的經驗閾值0.3 eV要小，但J61、J71/BT-IC體系仍具備如此高的PCE。此外，通過瞬間吸收光譜表征，研究人員發現?E_H并非是限制光生載流子分離的主要因素。

【圖文導讀】

圖1 ?工作機理及分子結構

(a) PSCs的工作機理示意圖；

(b) J61、J71以及BT-IC分子的化學結構圖；

圖2? 不同狀態下受體材料的吸收光譜表征

(a) 在不同狀態下的正交UV-vis吸收譜：BT-IC在DCM稀溶液中（虛線），固態BT-IC（紅實線），固態J61（黑實線），固態J71（藍實線）；

(b) J61、J71、BT-IC和IT-IC的CV曲線，測試條件為CH3CN/0.1 M [nBu₄N]⁺[PF₆]^-，100 mV/s的掃描速率，橫坐標表示Ag/AgCl電極。

(c) J61、J71、BT-IC薄膜的紫外光電子能譜；

(d) J61、J71、BT-IC相對于真空的能譜圖；

圖3 ?太陽能電池性能表征

(a) J61:BT-IC（1:1，w/w）的PSCs的J-V曲線；

(b) J61:BT-IC（1:1.5，w/w）的PSCs的EQE譜線；

圖4? 穩態光致發光表征和時間分辨熒光表征

(a) 2.2 eV激活下，J61和J61:BT-IC (1:1, w/w) 薄膜的光致發光光譜；

(b) 1.7 eV激活下，BT-IC和J61:BT-IC (1:1, w/w) 薄膜的光致發光光譜；

(c) 2.2 eV激活下，J61和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 薄膜的光致發光光譜；

(d) 1.7 eV激活下，BT-IC和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 薄膜的光致發光光譜；

(e) J61、BT-IC和J61:BT-IC (1:1, w/w) 薄膜的時間分辨熒光光譜；

(f) J71、BT-IC和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 薄膜的時間分辨熒光光譜；

圖5? 混合薄膜的瞬間光吸收能譜表征

(a-b) 1.62 eV激發下，J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的瞬間吸收光譜；

(c-d) J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的動力學圖譜；

圖6? 激子、極化子動力學研究

(a-c) 1.62 eV激發下，BT-IC薄膜、J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的瞬間光吸收能譜；

(d) J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的極化子動力學圖譜；測試條件：在1.33 eV條件下，1.62 eV泵激發；

【總結與展望】

本文中，研究人員成功設計并合成了近紅外非富勒烯受體（BT-IC），并將其用于有機太陽能電池，該類PSCs采用BT-IC作為受體，J61作為給體。雖然BT-IC帶寬僅為1.43 eV，但該類PSCs表現出了單結太陽能電池PCE高達9.6%，開路電壓Voc達0.87 V的性能。盡管J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的HOMO能級能量偏移 (?E_H) 小至0.10 eV，但在飛秒瞬態吸收光譜中，觀察到了有效的電荷產生，這表明如此小的?E_H并非是NIR非富勒烯太陽能電池性能的主要限制因素。此次研究結果表明，BT-IC受體是一種獨特的NIR非富勒烯受體，在串聯/多結、半透明（或明顯透明）和三元混合太陽能電池中的具有潛在的應用價值，因此值得進一步關注和研發。這些結果為PSCs高效NIR半導體的研究開辟了新的途徑。

原文鏈接：A Near-Infrared Non-Fullerene Electron Acceptor for High Performance Polymer Solar Cells?(Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C7EE00844A)

本文由材料人新能源組 深海萬里 供稿，材料牛編輯整理。

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