含有π橋的非富勒烯小分子受體的研究

潘 慧，夏養君

（蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730070）

1 概述

由于擁有通過低成本的旋涂方法制造大面積的柔性太陽能電池板的巨大潛能[1]，最近幾十年來，本體異質結（BHJ）有機太陽能電池（OSCs）[2]受到了研究者們的廣泛關注。隨著人們的深入研究，最近，由于其可以很大程度上克服基于富勒烯太陽能電池固有的缺點，如較難調控的分子能級，有限的光譜吸收范圍以及容易聚集的活性層等，含有A-D-A型非富勒烯小分子電子受體（NFAs）的有機太陽能電池（PSCs）成為了一類很有前途的太陽能電池。依賴于人們對這類分子的設計與合成，目前，基于NFAs的太陽能電池的光電轉化效率已經超過了18%。其中最好的例子就是2020年1月由丁黎明課題組在《科學通報》上發表的以D18為給體，Y6為受體的體系，其光電轉化效率達到了18.22%。為了進一步提高這種給受體體系工藝水平的光電轉化效率，人們致力于開發更多新的給受體材料。作為一種將太陽光能轉化為電能的裝置，其材料應該具有廣泛吸收太陽光譜的特點，這是提高此類太陽能電池光電轉化效率的關鍵方法之一。比較成功的單晶硅太陽能電池有很寬的光譜吸收帶，可以響應到1 100nm，使得光電轉化效率超過25%。因此，在OSCs領域，設計合成和運用窄帶隙光電材料對于進一步提高效率是至關重要的。

由于擁有通過低成本的旋涂方法制造大面積柔性太陽能電池板的巨大潛能[1]，最近幾十年來，本體異質結（BHJ）有機太陽能電池（OSCs）[2]受到了研究者們的廣泛關注。

在過去的幾十年中，人們設計和運用了多種吸收光譜拓展到近紅外區的聚合物和小分子[3]，使得光譜響應達到800nm，帶隙Eopt超過1.55eV，光電轉化效率超過11%的材料的OSC器件取得了重大的進展[4]。然而，進一步拓寬光譜響應到紅外區域會造成重大的能量損失（Eloss=Egopt-eVoc）[5]，到目前為止，最有效的OSC器件，其帶隙Egopt=1.2±0.1eV ，器件效率是5%～6%，短路電流密度高至20mA/cm2，然而其開路電壓只有0.4～0.5eV，相應的能量損失達到0.6～0.8eV[6]。因此，設計新的提高器件效率的光電材料仍然是這一領域很大的一個挑戰。

為了提升有機太陽能電池的性能，進一步提高光電轉化效率，受體材料的前線分子軌道應該與一些典型給體的分子軌道相匹配，合適的LUMO能級有利于提高器件的開路電壓，并且確保有效的電荷傳輸。另一方面，除了個別材料，例如Y6[7]等，大多數這種A-D-A型分子的帶隙都超過了1.55eV，這就意味著這些受體的吸收邊不到800nm，限制了材料的吸光能力。因此，發展合成步驟較短，帶隙較窄的含有π橋的小分子受體引起了大家的興趣。

2016年，Zhu Xiaozhang[8]團隊在研究過程中在IEIC分子的π橋上增加了一個共軛的噻吩環，設計和合成了一個新的小分子受體，命名為ATT-2.該非富勒烯小分子受體有很寬的薄膜吸收，從300nm到940nm，帶隙Egopt=1.32eV。當與PTB7-Th混合作為太陽能電池的活性層時，其器件的效率達到了9.58%，有一個很高的短路電流密度20.75mA/cm2，開路電壓是0.73V，填充因子是63%。與IEIC相比，基于ATT-2的器件高的短路電流密度和填充因子足夠補充開路電壓的降低，因此總體可以提高器件的效率。此外非富勒烯小分子受體ATT-2可以與給體PTB7-Th在近紅外區域形成較好的光吸收互補，這對于提高器件效率是有利的。通過利用Ag電極，此半透明有機太陽能電池短路電流密度18.53mA/cm2，可見光區的平均透射率達到37%，器件效率7.74%，達到當時單節太陽能電池的最大效率。

2 總結分析

從近幾年的性能優秀的小分子設計及合成發現，給受體間分子能級的合理匹配可提升開路電壓并減小能量損失，拓寬吸收光譜從而加大光能利用率提升短路電流密度，改善分子間的堆積效果進而影響其膜的形態，提高電子遷移率平衡電荷傳輸，提升薄膜器件的穩定性，進而提高PCE。而π橋的引入不僅可以拓寬材料的吸收光譜，從而提高器件的短路電流密度，且這類材料在合成過程中也較傳統的的合成方法簡短，節省了原料和時間。想要進一步提高器件的效率，還應該在材料、器件的多方面不斷努力，相信不久的將來，這類太陽能電池就能實現商業化。