全小分子非富勒烯有機太陽電池效率突破10%

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(a) p-OS小分子給體和n-OS小分子受體IDIC的分子結構；(b)全小分子有機太陽電池的器件結構；(c)基于各給體材料全小分子有機太陽電池的能量轉換效率(PCE)

有機太陽電池由 p-型有機半導體(p-OS)給體和富勒烯衍生物或 n-型有機半導體(n-OS)受體共混活性層夾在透明導電電極和金屬電極之間所組成，具有結構簡單、重量輕、成本低以及可采用溶液加工方法制備成柔性和半透明器件等優(yōu)點，成為了近年來新能源研究領域的研究熱點。將傳統(tǒng)有機太陽電池使用的富勒烯衍生物受體用 n-OS受體材料取代，可以克服富勒烯受體存在的可見光區(qū)吸光弱、能級調控困難和形貌穩(wěn)定性差等缺點，是提高有機太陽能電池光伏性能和穩(wěn)定性的有效方法。

有機太陽電池 p-OS給體光伏材料包括共軛聚合物和有機小分子兩類材料。與聚合物相比，小分子材料具有確定的分子結構、無合成批次差別、易提純等優(yōu)點，因此有機小分子給體光伏材料也引起了人們的廣泛關注。全小分子非富勒烯有機太陽電池使用 p-OS小分子給體和非富勒烯 n-OS小分子受體，同時具有小分子給體材料和非富勒烯受體材料的優(yōu)點，最近成為有機太陽電池領域的一個重要研究方向。中國科學院化學研究所李永舫研究組最近在 p-OS小分子給體材料和全小分子非富勒烯有機太陽電池的研究中取得系列研究進展1–3，使這類器件的能量轉換效率突破了10%。

p-OS小分子給體材料多采用A-π-D-π-A型(其中D代表給體結構單元、A代表受體結構單元)線性分子結構。他們首先在其開發(fā)的用于非富勒烯聚合物太陽電池的 J-系列高效聚合物給體光伏材料的基礎上，將J-系列聚合物小分子化，合成了基于苯并二噻吩(BDT)為給體單元、氟取代三氮唑(FBTA)為受體單元、乙腈脂基為末端受體單元的p-OS小分子H11和H12 (分子結構見圖a)。以H11為給體、n-OS小分子 IDIC為受體的全小分子有機太陽電池開路電壓(Voc)達到0.977 V，能量轉換效率(下面簡稱效率)達到9.73%1。

非富勒烯 n-OS受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點，因而優(yōu)化p-OS的分子結構來調節(jié)全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網(wǎng)絡結構，是提高全小分子非富勒烯有機太陽電池光伏性能的重要手段。他們以BDT為中心給體單元、將寡聚噻吩結構引入p-OS分子結構中，合成了兩個p-OS分子SM1和SM2 (分子結構見圖a)。基于SM1:IDIC的全小分子有機太陽電池效率達到 10.11%2，這是全小分子非富勒烯有機太陽電池效率首次突破10%。

在基于噻吩取代BDT的二維共軛聚合物中，硅烷基側鏈可以有效地降低聚合物的 HOMO能級，增強吸收和提高空穴遷移率。為了進一步提升全小分子有機太陽電池的光伏性能，他們最近又將硅烷基噻吩為側鏈的二維 BDT單元引入到 p-OS小分子給體材料中，合成了兩個新的p-OS小分子給體光伏材料H21和H22 (分子結構見圖a)，并研究了不同末端受體單元對材料物理化學性質及其光伏性能的影響。基于H22:IDIC的全小分子有機太陽電池的光電轉換效率進一步提升到10.29% (其中填充因子達到 71.15%，開路電壓為0.942 V，短路電流 15.38 mA·cm?2)，相關研究成果發(fā)表在近期的Advanced Materials上3。圖中給出了這些p-OS小分子給體和n-OS小分子受體IDIC的分子結構、全小分子有機太陽電池的器件結構以及各給體材料的光伏能量轉換效率。