用于有机太阳能电池的空穴(供体)和电子(受体)传输有机半导体材料

近年来，受益于新材料的研发和器件制备工艺的优化，本体异质结有机太阳能电池取得了前所未有的进展。有机太阳能电池的能量转化效率已经超过了18%。该综述不仅系统了总结了近三年来小分子、聚合物供体和受体材料的发展及其在聚合物-富勒烯，聚合物-非富勒烯小分子，全小分子，以及全聚合物太阳能电池中的应用，并深入探讨了材料结构-器件性能的关系，同时也总结了活性层形貌调控，器件制备工艺，晶体结构，分子动力学模拟等在提升有机太阳能电池器件性能的重要作用。最后，该综述提出了一些指导性的建议，希望能够有助于有机太阳能电池的发展。

Hole (donor) and electron (acceptor) transporting organic semiconductors for bulk-heterojunction solar cells

Jianhua Chen, Yao Chen, Liang-Wen Feng, Chunling Gu, Guoping Li, Ning Su, Gang Wang, Steven M. Swick, Wei Huang, Xugang Guo, Antonio Facchetti, and Tobin J. Marks

EnergyChem, 2, 100042 (2020).

DOI:10.1016/j.enchem.2020.100042

全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2589778020300178

或扫描二维码阅读全文

研究背景：

太阳能电池能够将太阳能直接转化为电能，因此有望发展为新型、清洁、可持续发展的能源开发技术，缓解化石能源日近枯竭的能源危机。与目前商业化的无机太阳能电池相比，有机太阳能电池具有成本低廉、重量轻柔、颜色可调节、可大面积卷-对-卷加工等优势，备受科研工作者的青睐。到目前为止，有机太阳能电池的能量转化效率已经突破了18%。虽然有机太阳能电池在性能与使用寿命方面尚不能完全取代无机太阳能电池，但是有机半导体材料在半透明、室内弱光条件、以及柔性方面能够有效的对无机太阳能电池进行补充。有机太阳能电池器件性能很大程度上依赖于光敏活性层，包括空穴(供体)和电子(受体)传输有机半导体材料。因此，开发新型的供体、受体材料是提升有机太阳能电池的关键。

图一. 有机太阳能电池研究重大突破的时间表。

内容简介：

本综述首先针对有机半导体材料的结构和电子特性以及太阳能电池的器件结构和工作原理进行了简要介绍。然后分别从发展历史和研究现状对有机半导体供体材料和受体材料进行了总结。

一、供体材料的研究进展

1.1 聚合物供体材料的研究进展。

早期的全供体型聚合物聚苯乙烯衍生物以及聚己基噻吩由于吸收光谱较窄，载流子迁移率较低导致太阳能电池短路电流和能量转化效率较低。通过供体-受体交替共聚策略，聚合物吸收光谱具有明显红移，其器件性能逐步提升。然而由于富勒烯受体的局限性，基于聚合物-富勒烯太阳能电池的能量转化效率的提升遇到瓶颈。非富勒烯受体小分子的成功研发，促进了有机太阳能电池的发展。宽带隙、中等带隙聚合物供体材料由于能够与具有近红外吸收的非富勒烯小分子、聚合物实现能级和光谱匹配，重新受到重视，并获得了器件性能的突破，最高的能够量转化效率达到18%以上。本综述依据构建单元，分别对基于苯并二噻吩，苯并三唑，苯并二噻吩二酮，其他构建单元以及三元共聚物进行了总结。重点介绍了：1. 静电势差异对电荷产生以及提取的影响；2. 聚合物主链构型对共混膜形貌以及器件性能影响；3. 大面积、厚膜、高稳定性器件制备；4. 半透明器件制备；5. 大面积刮涂器件制备工艺。

图2. 静电势，聚合物主链构型理论计算及共混形貌模拟；大面积器件制备、半透明器件以及刮涂器件制备工艺 

1.2  小分子供体材料。

小分子材料具有高纯度和批次差异性小的优点被广泛的应用于太阳能电池供体材料。目前为止，全小分子太阳能电池性能已经超过了15%。本综述总结了近三年来小分子供体材料分别在高性能小分子-富勒烯体系以及全小分子体系的发展。从材料结构上综述了小分子共轭长度，末端吸电子基团，以及小分子的对称性对其器件性能的影响。同时也从器件制备方面，介绍了通过使用添加剂、溶剂退火、三元共混策略对活性层共混形貌、取向性等进行调控，从而提升器件性能。

图3. 小分子共轭长度，器件制备溶剂退火以及三元共混对器件性能的影响

二、受体材料的研究进展

2.1 富勒烯受体。

主要介绍了富勒烯受体作为第三组份对非富勒烯太阳能电池形貌调控以及电子迁移率的提升，从而提升光伏性能以及器件稳定性。

图4. 富勒烯受体分子结构。

2.2 非富勒烯小分子受体。

首先总结了基于苝酰亚胺的小分子受体材料，介绍了通过扩大空间立体结构抑制苝酰亚胺聚集，同时通过稠环化提升电子迁移率的策略，提升基于苝酰亚胺小分子为受体的有机太阳能电池的器件性能。然后总结了A-π-D-π-A ，A-D-A，A-D(A)D-A型非富勒烯受体小分子的发展历程，分别介绍了中心稠环，π共轭桥，末端受体稠环化以及卤化对小分子受体晶体结构以及其器件性能的影响。重点介绍了小分子受体材料晶体结构中三维互穿网络结构对电荷传输的促进作用，以及非稠环策略在合成低成本高稳定性有机太阳能电池的应用。

图5. 非富勒烯受体晶体结构及非稠环受体构建策略。

2.3非富勒烯聚合物受体。

相比于基于小分子的有机太阳能电池，全聚合物太阳能电池在器件形貌稳定性和机械性能方面具有明显优势。但是其器件性能相对较低 (最高为15%左右)，究其根本原因主要是受体聚合物的匮乏以及活性层共混形貌难以调控所导致的。在材料方面，本综述总结了近年来一系列具有高电子迁移率、宽光谱响应的聚合物受体材料，主要集中在基于酰胺，酰亚胺，氰基取代以及硼-氮配合物的聚合物材料。重点介绍了聚合物分子量，溶剂的选择，以及器件制备工艺对全聚合物共混膜形貌的调控。

图6. 聚合物受体材料中缺电子构建单元的化学结构

三、总结与展望

在过去的几年里，由于非富勒烯受体的研发有机太阳能电池取得了巨大的进步，已经达到了几年前难以想象的能量转换效率，主要是由于高效的非富勒烯有机太阳能电池相比于富勒烯太阳能电池(> 0.7 V)具有更小的V_oc损耗(< 0.5 V)。而且近期的研究结果表明在非富勒烯体系中，尽管电荷分离驱动力很小，但可以实现超快和高效的电荷分离。因此，在V_oc损耗为0.51 V或更小的情况下，如果所有其他器件参数都得到充分优化，非富勒烯有机太阳能电池的最大可实现效率有望超过20%。问题是如何结合最高的短路电流和填充因子同时实现如此低的V_oc损耗。因此，我们对聚合物、小分子供体，富勒烯以及非富勒烯小分子、聚合物受体的设计提出了一些指导性的建议，希望能够有助于有机太阳能电池的发展。

作者简介：

Jianhua Chen received his PhD degree (2016) from Xiangtan University under the supervision of Prof. Weiguo Zhu. Hewas a Presidential Distinguished Postdoctoral Scholar under the direction of Prof. Xugang Guo at the Southern University of Science and Technology (SUSTech) from 2016 to 2018. Now he is a postdoctoral fellow at the Department of Chemistry, Northwestern University, under the supervision of Professor Antonio Facchetti and Professor Tobin J. Marks. His recent research focuses on the design, synthesis, and device application of organic semiconductors.

Wei Huang obtained his B.S. (2010) in physics from Nankai University and his Ph.D. (2016) in optical engineering from University of Electronic Science and Technology of China. Currently, he is a Research Assistant Professor in the Department of Chemistry, Northwestern University, under the supervision of Professor Tobin J. Marks and Professor Antonio Facchetti. His research interests include flexible/stretchable organic and inorganic electronics, chemical/biological sensors.

郭旭岗， 南方科技大学材料科学与工程系教授，博士生导师，分别于1999和2002年在兰州大学获学士和硕士学位(导师：杨正银教授)，2009年在美国肯塔基大学获博士学位(导师：Mark D. Watson教授)，2009 ~ 2012年在美国西北大学Tobin J. Marks教授课题组进行博士后研究。2012年加入南方科技大学任副教授，2018年晋升为正教授。主持和完成国家自然科学基金面上项目/深圳市孔雀团队等项目8项。2013年入选深圳市孔雀计划B类人才，2018年被评为广东省珠江学者特聘教授。 主要研究方向是有机和高分子半导体材料及其光电器件。

Prof. Antonio Facchetti is the Chief Technology Officer of Flexterra Corporation and an Adjunct Professor at Northwestern University. He holds a PhD from the University of Milan. He received the ACS Award for Creative Invention, the Giulio Natta Gold Medal of the Italian Chemical Society, the team IDTechEx Printed Electronics Europe Award, the corporate Flextech Award. He is a Fellow of the National Academy of Inventors, MRS, AAAS, PMSE, Kavli, and RSC Fellow. He was selected among the "TOP 100 MATERIALSSCIENTISTS OF THE PAST DECADE (2000-2010)" and recognized as a Highly Cited Scientist by Thomson Reuters.

Prof. Tobin J. Marks is Ipatieff Professor of Chemistry and of Materials Science and Engineering at Northwestern University. He holds a BS from the University of Maryland and a PhD from MIT. Awards: U.S. National Medal of Science, Spanish Asturias Prize, MRS Von Hippel Award, Dreyfus Prize in Chemical Sciences, NAS Award in Chemical Sciences, ACS Priestley Medal, and Technion Harvey Prize. Membership: US, German, Italian, and Indian National Academies of Science, US NAE and NAI, American Academy of Arts and Sciences; RSC, MRS, ACS Fellow. Publications: 1260, patents: 265.

关于EnergyChem：

联系我们：[e-mail]

   EnergyChemMEO-Zhang （微信）