效率超過7.5％的全小分子非富勒烯太陽能電池

最新 07-05

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有機太陽能電池領域已經發展了二十多年，現在無論是材料還是器件都有了巨大的突破。但是，多數太陽能電池還是使用基於富勒烯衍生物作為受體材料，富勒烯衍生物具有良好的電子傳輸性能，但也有一些無法迴避的缺陷，例如提純成本高、可見光吸收弱、調節能級較難、穩定性較差等。非富勒烯受體材料具有優秀的性質，例如在可見光及近紅外區有較強的吸收、能級容易調節、合成及提純成本低等，開發新型非富勒烯受體材料至關重要。

基於聚合物給體的非富勒烯太陽能電池效率發展非常快，至今為止非富勒烯的單層電池光電轉換效率（PCE）已經突破13%。但是聚合物給體材料卻也有明顯的缺陷，例如分子量分布的批次差異。小分子材料與聚合物比較具有更明顯的優勢，其化學結構確定，吸收光譜及能級容易調節，結晶性質可控，無批次差異。但是目前基於非富勒烯受體的小分子太陽能電池的光電轉換效率還較低。基於吡咯並吡咯二酮（DPP）的半導體材料一直被認為是有希望的給體材料。DPP單元具有出色的性能，尤其是高電子遷移率、高光化學穩定性、強吸光性，而且容易模塊化合成。之前報道了幾個基於DPP的受體材料，由於LOMO較淺，其效率較低，只有5%左右。

近日，一個西班牙與印度國際研究團隊報道了一種新的非富勒烯小分子受體材料（MPU1和MPU2），其中基於MPU2的全小分子非富勒烯太陽能電池取得了超過7.5%的光電轉換效率。

圖1. 本文中利用的小分子受體MPU1，MPU2以及小分子給體DTS(QxHTh2)2。圖片來源：J. Mater. Chem. A

本文中，作者設計了A2-D-A1-D-A2型的非富勒烯小分子受體材料，其中包含DPP受體單元為核，末端連接羅丹明，命名為MPU1。將受體材料與聚合物給體材料製備成器件後，最高效率可以達到7.52%。作者在MPU1分子末端加入雙氰基，提高其拉電子性能，從而拓寬共軛來提高其接受電子的受體能力，得到了MPU2分子，其合成步驟如圖2所示。

圖2. MPU2的合成步驟。圖片來源：J. Mater. Chem. A

本文中，作者將兩個受體分別與已經報道過的小分子給體DTS(QxHTh2)2共混製成小分子太陽能電池進行研究。

表1. 兩個受體材料的光學及電化學參數。圖片來源：J. Mater. Chem. A

很明顯，加入氰基之後，MPU2分子的LOMO被拉深，帶隙降低，吸收邊也隨之紅移，吸收範圍擴大。

如圖3所示，溶液中MPU2有兩個吸收帶。在更短波長的吸收，歸因於π-π*躍遷，長波長的吸收峰歸因於分子內的電荷傳輸。薄膜吸收會比溶液吸收紅移60 nm，這對於有機光伏器件性能的提高有很大好處。

圖3. MPU2溶液劑薄膜的吸收以及給體材料的吸收。圖片來源：J. Mater. Chem. A

從混合薄膜可以看出，基於MPU2的吸收比MPU1的吸收發生紅移，可以獲得更大範圍的吸收，有利於促進電流的生成。

圖4. 混合薄膜的吸收。圖片來源：J. Mater. Chem. A

作者製備了光伏器件，測試兩個體系的光伏性能。為了提高光電性能，作者採用了兩種製備方法，一種是熱退火十分鐘，另外一種是室溫下抽真空兩個小時。通過對比發現，真空乾燥的方法可以獲得更高的光電性能。基於MPU1的電池PCE，通過抽真空可以達6.98%，而熱退火的PCE只有5.69%。在基於MPU2的體系中，通過抽真空方法，器件PCE可以高達7.76%，而熱退火的PCE只有6.28%。