Adv. Mater.：如何为高效的非富勒烯有机太阳能电池选择合适的聚合物给体？

【研究背景】

有机太阳能电池（OSCs）在高效、低成本利用太阳能方面具有广阔的应用前景。经过近几年的迅猛发展，以富勒烯衍生物作为受体的有机太阳能电池的能量转化效率（PCEs）已经达到了11%。虽然如此，富勒烯衍生物作为受体材料的OSCs的有其发展瓶颈，一是吸光弱，而是能级固定。从而限制了材料结构设计的灵活性，加之有机半导体本身吸光范围窄，经一步提高PCEs显得尤为困难。

为了克服富勒烯衍生物受体的这两个缺陷，近来发展出了两种典型的稠环非富勒烯受体，一种是酰二胺基的受体分子，另一种是茚二噻吩或二噻吩并茚二噻吩基的A-D-A型小分子受体。其中，以后者作为受体的OSCs的PCEs已经超过了11%，显示了极大的发展潜力。

然而，如何选择有效的给体材料与新的非富勒烯受体材料匹配，从而进一步提高OSCs的PCEs又成为了一个新的问题。

【成果简介】

近日，北京大学材料科学与工程系占肖卫教授（通讯作者）研究组与国内诸多著名研究组合作，提出了与非富勒烯受体匹配的给体材料选择的三个基本标准：其一，能级匹配。提供有效的激子解离驱动力，并能最大化开路电压；其二，吸收光谱互补。吸收足够多的太阳光提供尽可能大的短路电流；其三，形貌兼容。实现理想的相分离尺度、纯度和聚集，有利于激子解离和电荷输运，提高填充因子和短路电流。

选择窄带隙的IDIC小分子作为受体材料，与五种当前最高效的给体材料匹配，将材料的带隙、能级和形貌优化三个因素与能量转化效率关联，有效地验证了这三个设计标准。

【图文解读】

图一  给体和受体材料的分子结构、光伏性能和外量子效率曲线

(a)五种给体材料和IDIC小分子窄带隙受体材料的分子结构。其中，PTB7-Th为窄带隙给体，其它四种给体为宽带隙。

(b)各种给体与IDIC受体结合的J-V曲线。

(c)各种给体与IDIC受体结合的外量子效率曲线。窄带隙的PTB7-Th与IDIC受体结合时，在短波长区域的吸收弱。

图二  两种最高效率的给体材料电池在DIO添加剂优化前后的J-V曲线、外量子效率曲线以及短路电流-光照强度曲线

(a)两种高效率给体材料电池添加DIO前后的J-V曲线。其中，PTFBDT-BZS给体-IDIC受体添加DIO前后的PCEs分别为8.06%和11.03%；PDBT-T1分别为9.20%和10.37%。

(b) 两种高效率给体材料电池添加DIO前后的外量子效率曲线。

(c) 两种高效率给体材料电池短路电流密度与光照强度的关系曲线。表明了添加DIO后激子的双分子复合几乎为零，电池的短路电流明显提高。

表一  不同给体条件下太阳能电池的光伏性能参数(c,d分别为添加0.25%和0.5%DIO时的性能)

图三  两种最高效率的给体-受体薄膜添加DIO前后的二维掠入射X射线散射图以及面内和面外的剖面图

(a)二维略入射X射线散射图。

(b)面内和面外的剖面图。

添加DIO后，给体和受体材料的π-π堆积和结晶尺寸都增加了。

图四  两种最高效率的给体-受体薄膜添加DIO前后的共振软X射线散射图

添加DIO后，给体和受体的纯度提高了，减小了电荷的复合损失。

图五  两种最高效率给体和受体的电致发射光谱和光致发射光谱

(a)电致发射光谱

(b)光致发射光谱

经过添加剂对形貌进行优化后，IDIC受体对发射光谱的贡献大大增加。

图六  两种最高效率给体和受体薄膜的暂态吸收光谱

暂态吸收光谱证实给体和受体同时有效地贡献了光生电流的产生，表明了给体和受体良好的共混性。也表明了电荷转移态的孪生复合是未通过DIO优化的电池的短路电流过低的主要原因。

【小结】

基于五种高效的聚合物给体材料，与IDIC小分子受体结合，筛选出了与IDIC匹配的两种高效的给体聚合物PDBT-T1和PTFBDT-BZS，经过DIO添加剂优化后，能量转化效率进一步达到了10.37%和11.03%。对活性层形貌和器件发射光谱的深入研究表明了DIO添加剂有效提高了材料的纯度、结晶度、取向性以及共混性，从而有利于二者之间光生电荷的产生和转移。本研究为与非富勒烯受体匹配的高效给体材料的筛选和电池性能优化提供了重要的指导。

文献链接: Mapping polymer donors toward high-efficiency fullerene free organic solar cells.(Adv. Mater.,DOI:10.1002/adma.201604155)

本文由材料人编辑部新能源学术组Nicholas供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。

材料人旗下一站式材料分析测试解决平台改版上线了！材料测试 数据分析 上测试谷！