中科院化学所JACS：有机太阳能电池的能量转换效率超过13％

【引言】

有机太阳能电池（OSCs）是一种将太阳能转换成电能的新型光伏技术。与无机太阳能电池相比，它的优点是重量轻、可通过印刷的方式制备大面积柔性电池。有机太阳能电池的活性层是决定电池转换效率高低的重要因素之一，它的活性层主要由p-型半导体材料和n-型半导体材料构成。研究者可以通过分子设计的策略优化p-型n-型半导体材料的基本性能，例如两者的吸收光谱，分子能级及迁移率，从而影响电池的能量转换效率。目前，大多数能量转换效率超过11%的电池是基于聚合物给体材料和非富勒烯受体材料体系获得的。值得一提的是，目前通过分子设计策略可以实现超过12%能量转换效率的电池，因此，在高效率体系的基础上，进一步设计和合成新材料对进一步提高能量转换效率具有重要意义。

在过去几十年中，研究者开发了许多有效的分子设计策略来调节有机半导体材料的光电性能，这些常见的策略包括给体-受体结构修饰，侧链工程和特殊官能团的引入。其中，引入带负电的氟原子是一种有效的分子设计策略。。氟化的有机半导体材料有以下优点。首先，氟化效应同时下移最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO）水平，而不会导致目标分子的强空间位阻。第二，由于F ... H，S ... F等的非共价相互作用，在氟化分子中观察到增强的分子间/分子内相互作用，这提高了它们的结晶度，从而促进了电荷传输。第三，氟化半导体材料有时具有比其非氟化对应物更高的吸收系数。最近，本文作者的研究表明，由聚合物给体PBDB-T和小分子受体ITIC共混制备的非富勒烯有机太阳能电池的能量转换效率超过11%，为了进一步提高OSC的效率，研究人员通过引入烷硫基和氟原子优化聚合物给体材料PBDB-T,得到新的聚合物给体材料PBDB-T-SF，同时他们进一步对受体材料ITIC进行氟化优化，得到新的非富勒烯受体材料IT-4F，并将两种材料共混制备有机太阳能电池，该电池可以取得13%的能量转换效率，他们进一步将该电池送往中国计量科学研究院进行第三方验证，最终该电池取得了13.1%的能量转换效率，这是目前报道的有机太阳能电池的最高效率。

【成果简介】

近日，J. Am. Chem. Soc刊登了一篇题为“Molecular Optimization Enables over 13% Efficiency in Organic Solar Cells”（原文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b02677）的文章，报道了中国科学院化学研究所侯剑辉研究员课题组，通过分别对PBDB-T和ITIC材料加氟的分子策略设计合成了PBDB-T-SF和IT-4F的合理分子优化，以提高所得OSC的光伏性能。与未加氟处理的给体PBDB-T和受体ITIC相比，新的聚合物给体PBDB-T-SF和小分子受体IT-4F的分子能级均有下降，这一设计策略可以保证拓宽光谱的同时，仍可获得较高的电压。PBDB-T-SF和IT-4F的消光系数均有提高。

【图文导读】

图一：氟化给体和受体的分子结构及合成步骤

（a）氟化给体和受体的分子结构。 （b）氟化给体和受体的合成步骤。

图二：给体和受体的吸收光谱和分子能级

（a）吸收光谱和（b）给体和受体的分子能级。

图三：器件性能参数

（a）基于PBDB-T-SF：IT-4F电池的J-V曲线和效率的统计分布图（b）EQE曲线和（c）器件性能参数（PCE，JSC，VOC和FF）与活性层厚度的关系。 （d）基于PBDB-T-SF：IT-4F电池的稳定性测试。

图四：共混薄膜AFM和TEM图像

基于PBDB-T-SF:IT-4F共混薄膜的形貌：AFM（a）PBDB-T-SF：IT-4F的高度和（b）相图和（c）基于PBDB-T-SF：IT-4F共混薄膜的TEM图。

【小结】

在这项工作中，研究人员分别对聚合物给体材料和非富勒烯受体材料进行了分子优化。 通过分子设计策略成功地设计和合成了一种新的聚合物给体PBDB-T-SF和小分子受体IT-4F。 与PBDB-T和ITIC相比，PBDB-T-SF和IT-4F能级同时降低，受体IT-4F的吸收光谱拓宽，两者的消光系数和迁移率均有提高，使用这一新的材料组合时可以取得较高的能量转换效率，最佳的电池可以取得13%以上的能量转换效率。此外，基于PBDB-T-SF：IT-4F的电池表现出较好的膜厚容忍性，他们的研究同时表明该类器件有较好的稳定性。该工作为有机太阳能电池的发展提供新的机遇。

文献链接：Molecular Optimization Enables over 13% Efficiency in Organic Solar Cells（J. Am. Chem. Soc.，2017，DOI: 10.1021/jacs.7b02677）

本文由材料人新能源学术组 背逆时光 供稿，材料牛整理编辑。

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