南开大学陈永胜教授课题组：基于氯代小分子受体材料的有机太阳能电池效率超过14%
有机太阳能电池因具有质量轻、成本低、可大面积制备和可溶液处理等诸多优点而受到广泛关注。在有机太阳能电池的发展过程中，活性层材料的研发对提高器件综合性能具有重要的意义。传统的有机太阳能电池主要是基于富勒烯衍生物电子受体材料展开的，但是该类受体材料由于合成成本高、结构和能级不易调控等不足限制了其进一步发展。近年来，具有拉电子单元-给电子单元-拉电子单元（A-D-A）结构的非富勒烯小分子受体材料由于其结构确定、能级及吸收范围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。基于该类非富勒烯受体材料的器件通常有较低的能量损失和宽的光谱吸收范围，从而具有更好的器件综合效率。
前期工作中，南开大学陈永胜教授课题组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，随后对其中间单元和末端单元同时进行优化报道了A-D-A型的小分子受体NCBDT，并获得了超过12%的器件效率。
近期，南开大学陈永胜教授课题组和中国科学院化学研究所侯剑辉研究员课题组合作，通过对A-D-A型小分子受体材料的末端基团进行调控，设计并合成了以基于BDT的稠环结构（CBDT）作为中间单元、以氯代氰基茚满二酮作为末端单元的非富勒烯小分子受体材料NCBDT-4Cl（如图所示）。末端拉电子的氯原子的引入使该分子具有较低的LUMO和HOMO能级，其光谱吸收范围主要位于600-900 nm，通过吸收截止边计算得到的光学带为1.40 eV。从能级和光谱吸收匹配的角度出发，选用了由侯剑辉研究员团队报道的宽带隙聚合物PBDB-T-SF作为电子给体材料。该聚合物具有较低HOMO能级，其与受体材料的HOMO能级差仅为0.18 eV，但是并不影响给体材料和受体材料之间的电荷产生过程；PBDB-T-SF的吸收光谱主要在450-700 nm，因此PBDB-T-SF:NCBDT-4Cl共混薄膜具有宽而有效的吸收范围，利于所制备器件获得高的短路电流密度。
基于此，作者制备了以PBDB-T-SF:NCBDT-4Cl为活性层材料的正向器件，并对器件制备工艺进行了探索优化。器件在不经过任何后处理时获得了13.1%的能量转换效率，这是目前文献报道中不经过后处理的最高器件效率；其开路电压为0.885 V，能量损失仅为0.52 eV。随后通过溶剂添加剂（DIO）和热退火对器件进行优化，发现当DIO的添加量为0.2%（v/v），再在110°C进行热退火10分钟时，器件效率进一步提高至14.1%，其中开路电压为0.851 V，短路电流密度为22.35 mA cm-2，填充因子接近75%。基于该优化器件的能量损失也仅为0.55 eV。通过AFM、TEM和GIXD测试分析并对比发现，器件性能的提高主要是由于更加优化的活性层形貌和更高效的光电转换过程。考虑到受体材料和给体材料的化学结构的多样性，通过对材料结构以及器件的优化，进一步降低器件的能量损失和拓宽活性层材料的吸收范围，有助于实现有机太阳能电池效率的更大突破。
该项成果以“A Chlorinated Low-Bandgap Small-Molecule Acceptor for Organic Solar Cells With 14.1% Efficiency and Low Energy Loss”为题，在线发表于Science China Chemistry（DOI: 10.1007/s11426-018-9334-9）。
论文链接：
http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-018-9334-9?slug=full%20text
来源：中国科学化学
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