國家納米科學中心魏志祥＆呂琨Adv.Energy Mater.：提高受體結晶性實現高效非富勒烯全小分子太陽能電池

【引言】

近年來，不可再生化石燃料的大量使用造成能源環境問題日益嚴重，由於兼具低成本、柔性、質輕、易製備等獨特優勢，可溶液加工的有機太陽能電池已成為新能源領域的研究熱點。其中，基於富勒烯及其衍生物的有機太陽能電池嶄露頭角，大力推動了該領域的發展，然而其存在著可見區吸收弱、活性層形貌不穩定等劣勢。為了進一步提高有機太陽能電池的能量轉換效率，研究人員逐漸將目光關注於非富勒烯體系太陽能電池。非富勒烯受體材料具有強吸收、高度穩定以及能級可調控等優勢，同時該體系展現出低能量損失的特點，提高了太陽能電池的開路電壓。經過近兩年的快速發展，非富勒烯有機太陽能電池的最高能量轉換效率已突破13%。然而，縱觀目前報道的應用於非富勒烯太陽能電池的給體材料，多為具有寬頻隙、高結晶性的聚合物，而具有高能量轉換效率的小分子給體材料相對欠缺。主要原因可能為小分子給受體並不能在活性層中實現有效的相分離，進而導致太陽能電池具有較低的短路電流和填充因子。因此，高效非富勒烯全小分子太陽能電池的製備面臨著巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心魏志祥研究員和呂琨研究員（共同通訊作者）帶領的團隊設計合成了以萘並二噻吩（NDT）作為中心基元，3-乙基羅丹寧為端基的A-D-A型小分子給體（NDTSR）。該小分子在溶液中具有良好的溶解性，同時在成膜狀態下呈現出良好的結晶性。實驗過程中，研究人員分別選取兩種非富勒烯小分子受體ITIC和IDIC與該受體小分子配對，組裝成全小分子太陽能電池進行測試。研究發現，雖然兩種受體分子均可與NDTSR互補吸收且均具有合適的能級用於電荷分離，然而兩者卻展現出不同的光電性能。NDTSR:ITIC共混物的能量轉化效率為1.77%，而NDTSR:IDIC共混物的能量轉換效率則高達8.05%。研究人員將這種差異歸因於兩種受體結晶性不同，進而對活性層形貌及光伏性能產生不同的影響。該成果以題為「Improve the Performance of the All-Small-Molecule Nonfullerene Organic Solar Cells throughEnhancing the Crystallinity of Acceptors」發表在Adv. Energy Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.NDTSR、ITIC及IDIC結構式

圖2.NDTSR合成路線

圖3.三種分子的吸收光譜及CV曲線

(a)NDTSR、ITIC及IDIC薄膜狀態下的吸收光譜

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

圖4.NDTSR:ITIC及NDTSR:IDIC太陽能電池的光電性能

(a)J-V曲線

(b)EQE譜圖

圖5.NDTSR:ITIC、NDTSR:IDIC共混膜在有/無熱退火處理下的AFM及TEM形貌圖

圖6.三種材料在有/無熱退火處理下的二維GIWAXS圖

圖7.NDTSR:ITIC、NDTSR:IDIC共混物的GIWAXS圖

(a-d) NDTSR:ITIC、NDTSR:IDIC共混物膜有/無熱退火處理下的GIWAXS圖及對應的(e、f)面內/外切線

【小結】

研究人員設計合成了以NDT作為中心基元，3-乙基羅丹寧為端基的A-D-A型小分子給體NDTSR，並分別選取兩種非富勒烯小分子ITIC和IDIC作為受體，構築出全小分子太陽能電池。由於兩種受體具有不同的結晶性，導致活性層具有不同形貌，進而使太陽能電池呈現出不同光伏性能。其中，NDTSR:IDIC共混物的能量轉換效率高達8.05%，為目前所報道的基於NDT單元的小分子給體光電轉換效率最高值。該工作不僅證明了基於NDT單元的小分子給體材料在高效全小分子太陽能電池中的應用潛力，同時也指出了稠環小分子受體的結晶性對活性層中實現有效相分離的關鍵作用。

文獻鏈接：Improve the Performance of the All-Small-Molecule Nonfullerene Organic Solar Cells throughEnhancing the Crystallinity ofAcceptors( Adv. Energy Mater. ,2018, DOI:10.1002/aenm.201702377)

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