占肖衛(wèi)

北京大學(xué)工學(xué)院，北京 100871

相較于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)具備成本低、重量輕、可通過(guò)溶液加工方式制備柔性器件等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為具有重要應(yīng)用前景的太陽(yáng)能利用方式之一1,2。自1995年俞剛等發(fā)明了具有本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(BHJ)的OSC以來(lái)3，采用共軛聚合物電子給體和小分子電子受體材料構(gòu)建BHJ光伏活性層的電池能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)已經(jīng)達(dá)到13%以上4。相比于聚合物材料，有機(jī)小分子具備批次差別性較小的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)小分子材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到廣泛關(guān)注。目前，具有拉-推-拉(A-D-A)電子作用的共軛結(jié)構(gòu)已被成功應(yīng)用到高性能小分子給體與受體材料的分子設(shè)計(jì)中5–8。根據(jù)其光電性能，A-D-A型給體和受體的組合在提供寬吸收光譜和適當(dāng)?shù)姆肿幽芗?jí)兩方面具有優(yōu)勢(shì)，但是采用這種材料組合方式獲得光伏效率仍然較低。因此，如何通過(guò)材料設(shè)計(jì)和器件優(yōu)化提升此類電池的效率是一項(xiàng)具有意義的工作。

北京科技大學(xué)張少青與中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯劍輝等人合作，以具有良好共平面性的三聯(lián)苯并二噻吩(TriBDT)結(jié)構(gòu)為D單元，分別以羅丹寧(RN)、氰基羅丹寧(RCN)和1,3-茚二酮(IDO)為A單元，設(shè)計(jì)并合成了具有A-D-A結(jié)構(gòu)的三種小分子給體材料。他們發(fā)現(xiàn)，三種小分子材料的熱分解溫度基本一致。由于A型端基的拉電子能力不同，相應(yīng)給體材料的光學(xué)性能和電化學(xué)性能略有不同，端基拉電子作用越強(qiáng)，材料的吸收光譜紅移，分子能級(jí)降低；反之則吸收光譜藍(lán)移，分子能級(jí)升高。

隨后，張少青等人將三種小分子給體與非富勒烯型受體材料IT-4F共混制備器件，詳細(xì)研究了三種端基對(duì)于小分子材料與受體材料共混制備的活性層形貌與光伏性能之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)器件工藝優(yōu)化，基于RN:IT-4F的光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到9.25%，而基于RCN:IT-4F與IDO:IT-4F的能量轉(zhuǎn)換效率僅為6%左右。通過(guò)對(duì)器件活性層微觀形貌的研究發(fā)現(xiàn)，帶有氰基羅丹寧與1,3-茚二酮為端基的小分子給體在共混薄膜中形成了較大聚集的相區(qū)，不利于激子的有效傳輸與分離，因此基于二者的器件的短路電流乃至光伏性能較低。綜上所述，對(duì)于A-D-A型小分子給體材料而言，其末端A型基團(tuán)可以對(duì)材料的吸收光譜、分子能級(jí)以及與A-D-A型受體材料共混后的微觀形貌產(chǎn)生非常大的影響，因此相應(yīng)器件在光伏性能方面會(huì)表現(xiàn)出顯著差異。

該研究工作已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201712063)，為特刊“非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池”邀請(qǐng)的原創(chuàng)文章9。該工作說(shuō)明了小分子給體材料設(shè)計(jì)中端基優(yōu)化對(duì)其光伏性能的重要影響，而且還采用A-D-A分子結(jié)構(gòu)的給體和受體共混制備了具有突出光伏效率的有機(jī)光伏電池，對(duì)有機(jī)光伏材料設(shè)計(jì)和器件優(yōu)化提供了重要借鑒價(jià)值。