黄飞课题组：具有不对称烷基链的小分子受体制备效率超18%的有机太阳能电池

华南理工大学黄飞课题组使用不对称烷基链的策略合成了两种新的受体分子。光学和电学测试表明合适的不对称烷基链取代可以有效地调节受体分子的吸收、聚集特性并改善共混膜的形貌，提高器件的短路电流（J_SC）和填充因子（FF），最终获得了18.38%的器件效率。

相较于传统的无机太阳能电池，有机太阳能电池具有质量轻、柔性、半透明、可溶液加工等优势，引起了材料学家们的广泛关注。近年来，得益于新型非富勒烯受体（NFAs）材料的快速发展，有机太阳能电池的光电转化效率逐步提升，目前NREL最高认证效率已超过18%，但仍远低于无机材料为主的太阳能电池的转化效率。因此，提高有机太阳能电池的转化效率仍是该领域最重要的研究课题之一。近日，华南理工大学黄飞课题组发展了系列带有不对称烷基链修饰的小分子受体材料，发现采用不对称烷基侧链可以使材料的性能进一步提高。

作者向“Y-系列”受体中引入不同的烷基链，合成了两种新的不对称非富勒烯小分子受体EH-HD-4F和Bu-OD-4F（图1），选用BO-4F为参照，详细研究了不对称烷基链对分子堆积和光电特性的影响。 

图1. 小分子受体EH-HD-4F, Bu-OD-4F和BO-4F的分子结构 

作者首先使用差示扫描量热法（DSC）测试了三种受体分子的热力学性质，测得BO-4F、EH-HD-4F和Bu-OD-4F的熔融温度为269.1℃、269.9℃、287.5℃，其相应的熔融焓为23.3 J g^-1、24.4 J g^-1、26.2 J g^-1（图2a）。随后，作者发现改变小分子受体吡咯环上的烷基链基本不影响其溶液吸收光谱（图2b）和能级（图2d），但是EH-HD-4F的薄膜吸收光谱相较于对称的BO-4F出现了的红移，这更有利于材料对光子的捕获，从而可能获得更高的短路电流（图2c）。

图2. （a）DSC曲线、（b）溶液吸收光谱、（c）薄膜吸收光谱、（d）能级、（e）器件J-V曲线、（f）相应EQE曲线 

进一步地，作者选用(2-(9H-咔唑-9-基)乙基)膦酸（2-PACz）作为空穴传输层（HTL），制备了基于PM6:NFAs的有机太阳能器件。结果表明，基于PM6:EH-HD-4F的器件能实现有效的激子解离、抑制了单分子复合并具有更平衡的载流子迁移率。作者还研究了不对称烷基链对共混膜形貌的影响，发现EH-HD-4F于PM6具有更好的相容性，同时其共混膜具更大的晶体相干长度，说明其具有更强的结晶强度和更紧密的分子堆积，这更有利于电荷的传输。得益于以上因素，PM6:EH-HD-4F的J_SC从PM6:BO-4F的27.0 mA cm^-2提高到27.5 mA cm^-2，FF由76.7%提升至79.3%，相应的光电转化效率也由17.39%提升至18.38%。该研究为有机小分子受体的侧链调控提供了一种行之有效的思路。

详见： Shihao Chen, Lingwei Feng, Tao Jia, Jianhua Jing, Zhicheng Hu, Kai Zhang, Fei Huang. High-performance polymer solar cells with efficiency over 18% enabled by asymmetric side chain engineering of non-fullerene acceptors. Sci. China Chem. 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-1013-0.

扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】