苏州大学廖良生EES：近红外非富勒烯电子受体用于有机太阳能电池

【引言】

近红外（NIR）有机半导体材料由于其典型的带宽（Eg）小于1.5 eV，在有机电子器件领域内掀起了一股研究热潮。在有机光伏领域，NIR响应分子优点显著，Eg介于1.2 eV~1.5 eV的分子可以吸收约占太阳辐射强度50%的近红外区段，提高太阳光的吸收利用率，此外，该类分子还具有一些较为特殊的物理特性，如较强的偶极矩、较低的激活键能和半透明特性等，有益于吸收近红外光而透射大部分的可见光。

由于新型光吸收材料的引入，共轭非富勒烯（NF）受体基聚合物太阳能电池（PSCs）展现出了一片较为广阔的发展前景。当具有紫外可见光吸收的共轭高分子聚合物能够有效地吸收近红外区段的太阳光时，高分子给体和共轭受体二者就均可作为吸收材料来使用。在设计NF材料时，NF受体中共轭键数量的增加可以有效地拓展材料的吸收边缘。此外，通过在共轭体系中改变取代基类型、结构重组，以及使用较强取代基团增强分子内电荷转移（CT）效应，可以实现共轭NF受体吸收光段的调控。最近研究表明，新型NF受体基聚合物太阳能电池的能量转化效率（PCE）已经可以达到12%。然而，大多数报道的高性能NF受体的高吸收波段依然停留在紫外可见光区段，在近红外区段的NF受体却鲜为报道。在NIR受体的研发中，目前还存在一个较大的挑战，即如何调谐驱动力和电压损失这对一矛盾，尤其当禁带宽度很小时，这一问题更是难以解决。在进行分子设计时，为了降低带宽就必须使分子具备较高的HOMO能级和LUMO能级，但较高的HOMOs能级同时又降低了聚合物与受体之间的能量补偿，从而减小了驱动力，影响到了光生载流子分离。因而，如何调谐这一矛盾是目前高性能NIR受体设计的重中之重。

【成果简介】

近日，苏州大学廖良生教授团队在Energy Environ. Sci.上发表了一篇题为“A Near-Infrared Non-Fullerene Electron Acceptor for High Performance Polymer Solar Cells”的文章，研究人员成功设计并合成了一种新型刚性梯形NIR受体（BT-IC），并将其应用于有机太阳能电池。通过瞬间吸收光谱表征发现BT-IC的带隙宽度Eg为1.43 eV，吸收边缘延展到了近红外区段。BT-IC 与两种中间带隙高分子材料J61结合制成有机太阳能电池后，该PSCs的PCE可达到9.6%，Voc达0.87 V，与J71结合制成PSCs后，PCE可达10.5%，Voc达0.90 V。研究人员发现，尽管HOMO-HOMO能量偏移（∆E_H）低至0.10 eV，比实现电荷有效分离的经验阈值0.3 eV要小，但J61、J71/BT-IC体系仍具备如此高的PCE。此外，通过瞬间吸收光谱表征，研究人员发现∆E_H并非是限制光生载流子分离的主要因素。

【图文导读】

图1  工作机理及分子结构

(a) PSCs的工作机理示意图；

(b) J61、J71以及BT-IC分子的化学结构图；

图2  不同状态下受体材料的吸收光谱表征

(a) 在不同状态下的正交UV-vis吸收谱：BT-IC在DCM稀溶液中（虚线），固态BT-IC（红实线），固态J61（黑实线），固态J71（蓝实线）；

(b) J61、J71、BT-IC和IT-IC的CV曲线，测试条件为CH3CN/0.1 M [nBu₄N]⁺[PF₆]^-，100 mV/s的扫描速率，横坐标表示Ag/AgCl电极。

(c) J61、J71、BT-IC薄膜的紫外光电子能谱；

(d) J61、J71、BT-IC相对于真空的能谱图；

图3  太阳能电池性能表征

(a) J61:BT-IC（1:1，w/w）的PSCs的J-V曲线；

(b) J61:BT-IC（1:1.5，w/w）的PSCs的EQE谱线；

图4  稳态光致发光表征和时间分辨荧光表征

(a) 2.2 eV激活下，J61和J61:BT-IC (1:1, w/w) 薄膜的光致发光光谱；

(b) 1.7 eV激活下，BT-IC和J61:BT-IC (1:1, w/w) 薄膜的光致发光光谱；

(c) 2.2 eV激活下，J61和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 薄膜的光致发光光谱；

(d) 1.7 eV激活下，BT-IC和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 薄膜的光致发光光谱；

(e) J61、BT-IC和J61:BT-IC (1:1, w/w) 薄膜的时间分辨荧光光谱；

(f) J71、BT-IC和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 薄膜的时间分辨荧光光谱；

图5  混合薄膜的瞬间光吸收能谱表征

(a-b) 1.62 eV激发下，J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的瞬间吸收光谱；

(c-d) J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的动力学图谱；

图6  激子、极化子动力学研究

(a-c) 1.62 eV激发下，BT-IC薄膜、J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的瞬间光吸收能谱；

(d) J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的极化子动力学图谱；测试条件：在1.33 eV条件下，1.62 eV泵激发；

【总结与展望】

本文中，研究人员成功设计并合成了近红外非富勒烯受体（BT-IC），并将其用于有机太阳能电池，该类PSCs采用BT-IC作为受体，J61作为给体。虽然BT-IC带宽仅为1.43 eV，但该类PSCs表现出了单结太阳能电池PCE高达9.6%，开路电压Voc达0.87 V的性能。尽管J61:BT-IC (1:1, w/w) 混合薄膜和J71:BT-IC (1:1.5, w/w) 混合薄膜的HOMO能级能量偏移 (∆E_H) 小至0.10 eV，但在飞秒瞬态吸收光谱中，观察到了有效的电荷产生，这表明如此小的∆E_H并非是NIR非富勒烯太阳能电池性能的主要限制因素。此次研究结果表明，BT-IC受体是一种独特的NIR非富勒烯受体，在串联/多结、半透明（或明显透明）和三元混合太阳能电池中的具有潜在的应用价值，因此值得进一步关注和研发。这些结果为PSCs高效NIR半导体的研究开辟了新的途径。

原文链接：A Near-Infrared Non-Fullerene Electron Acceptor for High Performance Polymer Solar Cells (Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C7EE00844A)

本文由材料人新能源组 深海万里 供稿，材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。

参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

材料测试，数据分析，上测试谷！