国家纳米科学中心魏志祥&吕琨Adv. Energy Mater. :提高受体结晶性实现高效非富勒烯全小分子太阳能电池

【引言】

近年来，不可再生化石燃料的大量使用造成能源环境问题日益严重，由于兼具低成本、柔性、质轻、易制备等独特优势，可溶液加工的有机太阳能电池已成为新能源领域的研究热点。其中，基于富勒烯及其衍生物的有机太阳能电池崭露头角，大力推动了该领域的发展，然而其存在着可见区吸收弱、活性层形貌不稳定等劣势。为了进一步提高有机太阳能电池的能量转换效率，研究人员逐渐将目光关注于非富勒烯体系太阳能电池。非富勒烯受体材料具有强吸收、高度稳定以及能级可调控等优势，同时该体系展现出低能量损失的特点，提高了太阳能电池的开路电压。经过近两年的快速发展，非富勒烯有机太阳能电池的最高能量转换效率已突破13%。然而，纵观目前报道的应用于非富勒烯太阳能电池的给体材料，多为具有宽带隙、高结晶性的聚合物，而具有高能量转换效率的小分子给体材料相对欠缺。主要原因可能为小分子给受体并不能在活性层中实现有效的相分离，进而导致太阳能电池具有较低的短路电流和填充因子。因此，高效非富勒烯全小分子太阳能电池的制备面临着巨大挑战。

【成果简介】

近日，国家纳米科学中心魏志祥研究员和吕琨研究员（共同通讯作者）带领的团队设计合成了以萘并二噻吩（NDT）作为中心基元，3-乙基罗丹宁为端基的A-D-A型小分子给体（NDTSR）。该小分子在溶液中具有良好的溶解性，同时在成膜状态下呈现出良好的结晶性。实验过程中，研究人员分别选取两种非富勒烯小分子受体ITIC和IDIC与该受体小分子配对，组装成全小分子太阳能电池进行测试。研究发现，虽然两种受体分子均可与NDTSR互补吸收且均具有合适的能级用于电荷分离，然而两者却展现出不同的光电性能。NDTSR:ITIC共混物的能量转化效率为1.77%，而NDTSR:IDIC共混物的能量转换效率则高达8.05%。研究人员将这种差异归因于两种受体结晶性不同，进而对活性层形貌及光伏性能产生不同的影响。该成果以题为“Improve the Performance of the All-Small-Molecule Nonfullerene Organic Solar Cells through Enhancing the Crystallinity of Acceptors”发表在Adv. Energy Mater. 上。

【图文导读】

图1.NDTSR、ITIC及IDIC结构式

图2..NDTSR合成路线

图3.三种分子的吸收光谱及CV曲线

(a)NDTSR、ITIC及IDIC薄膜状态下的吸收光谱

(b)NDTSR薄膜在 0.1 mol L⁻¹ Bu₄NPF₆乙腈溶液中的CV曲线

图4.NDTSR:ITIC及NDTSR:IDIC太阳能电池的光电性能

(a)J-V曲线

(b)EQE谱图

图5.NDTSR:ITIC、NDTSR:IDIC共混膜在有/无热退火处理下的AFM及TEM形貌图

图6.三种材料在有/无热退火处理下的二维GIWAXS图

图7.NDTSR:ITIC、NDTSR:IDIC共混物的GIWAXS图

(a-d) NDTSR:ITIC、NDTSR:IDIC共混物膜有/无热退火处理下的GIWAXS图及对应的(e、f)面内/外切线

【小结】

研究人员设计合成了以NDT作为中心基元，3-乙基罗丹宁为端基的A-D-A型小分子给体NDTSR，并分别选取两种非富勒烯小分子ITIC和IDIC作为受体，构筑出全小分子太阳能电池。由于两种受体具有不同的结晶性，导致活性层具有不同形貌，进而使太阳能电池呈现出不同光伏性能。其中，NDTSR:IDIC共混物的能量转换效率高达8.05%，为目前所报道的基于NDT单元的小分子给体光电转换效率最高值。该工作不仅证明了基于NDT单元的小分子给体材料在高效全小分子太阳能电池中的应用潜力，同时也指出了稠环小分子受体的结晶性对活性层中实现有效相分离的关键作用。

【文献信息】

文献链接：Improve the Performance of the All-Small-Molecule Nonfullerene Organic Solar Cells through Enhancing the Crystallinity of Acceptors ( Adv. Energy Mater. ,2018, DOI:10.1002/aenm.201702377)

本文由材料人编辑部新能源组牛越整理编译，点我加入材料人编辑部。

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