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南开大学:精细调控小分子受体材料的能级获得高效的有机太阳能电池

中研股份2018年6月19日讯  有机太阳能电池,就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料,以光伏效应而产生电压形成电流,实现太阳能发电的效果。

可溶液处理的有机太阳能电池具有质量轻、柔性、可大面积制备和成本低等诸多优点受到学术界和工业界的广泛关注。

陈永胜教授课题组在前期小分子给体材料的工作中,报道了一类具有受体单元-给体单元-受体单元(A-D-A)结构的小分子,这些材料的能级能够通过改变中间给体单元的给电子能力和末端受体单元的拉电子能力进行有效的调控。近年来,具有A-D-A结构的非富勒烯小分子受体材料由于其结构确定、能级易调控等优点在推动有机太阳能电池的发展中发挥了重要的作用。而在A-D-A小分子给体材料能级调控的策略同样适用于受体材料的设计合成中。

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陈永胜教授课题组在之前的工作中首次报道了基于苯并二噻吩(BDT)的稠环单元的小分子受体材料NFBDT,并获得了超过10%的能量转换效率(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 4929?4934)。对该材料的给体单元和受体单元进行优化可以有效的调控能级,从而获得更窄带隙的小分子受体材料,拓宽吸收光谱从而利于获得更高的短路电流密度。

从该角度出发,陈永胜教授等课题组报道了新的A-D-A型的小分子受体NCBDT(Adv. Mater. 2018, 30, 1704904)。与NFBDT相比较,该受体材料的最高已占有轨道(HOMO)的能级升高,这主要是由于在NFBDT的中间单元引入了弱的烷基链给电子单元;同时最低未占有轨道(LUMO)的能级降低,是由于在NFBDT的末端单元引入了强的氟原子拉电子基团。通过精细结构优化的策略,NCBDT受体材料的光学带隙低至1.45 eV,其薄膜吸收范围拓展至近红外区域,与聚合物给体材料的吸收范围互补更好。

与帝国理工的Artem. A Bakulin团队和剑桥大学的Richard H Friend团队对材料体系的光物理过程进行了超快光谱分析发现,在基于两个受体材料器件中观察到比较慢(~400 ps)但是有效的电荷产生进而有效的电荷提取过程,说明对该体系受体材料的能级调控并没有影响相关的光物理过程。更低的电荷分离的驱动力并没有影响电荷分离的过程,这为同时获得高的短路电流密度和低的开路电压损失提供了新的途径。因此,在维持相对高的开路电压的前提下,基于该受体材料的器件获得了超过20 mA cm-2的短路电流密度以及超过12%的能量转换效率。通过能级调控优化给受体材料之间的HOMO以及LUMO能级差值,可以在增加吸收太阳光获得高电流的同时尽可能的降低开路电压损失。

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基于该体系小分子受体材料,陈永胜教授课题组通过进一步的分子结构优化以及器件优化,获得了12.8%的全非富勒烯三元器件(Adv. Energy Mater. 2018, 1800424)以及14.11%的叠层器件(Adv. Mater. 2018, 1707508)。考虑到苯并二噻吩衍生物的化学结构的多样性以及该材料体系的光物理过程,通过对受体材料以及给体材料的进一步优化,可以获得能量损失更低的高效率有机太阳能电池。

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