A-D-A型小分子电子给体中的端基优化和高效率光伏器件

占肖卫

北京大学工学院，北京 100871

相较于传统的无机太阳能电池，有机太阳能电池(OSCs)具备成本低、重量轻、可通过溶液加工方式制备柔性器件等诸多优点，已经成为具有重要应用前景的太阳能利用方式之一1,2。自1995年俞刚等发明了具有本体异质结结构(BHJ)的OSC以来3，采用共轭聚合物电子给体和小分子电子受体材料构建BHJ光伏活性层的电池能量转换效率(PCE)已经达到13%以上4。相比于聚合物材料，有机小分子具备批次差别性较小的优点，针对小分子材料的分子结构设计受到广泛关注。目前，具有拉-推-拉(A-D-A)电子作用的共轭结构已被成功应用到高性能小分子给体与受体材料的分子设计中5–8。根据其光电性能，A-D-A型给体和受体的组合在提供宽吸收光谱和适当的分子能级两方面具有优势，但是采用这种材料组合方式获得光伏效率仍然较低。因此，如何通过材料设计和器件优化提升此类电池的效率是一项具有意义的工作。

北京科技大学张少青与中国科学院化学研究所侯剑辉等人合作，以具有良好共平面性的三联苯并二噻吩(TriBDT)结构为D单元，分别以罗丹宁(RN)、氰基罗丹宁(RCN)和1,3-茚二酮(IDO)为A单元，设计并合成了具有A-D-A结构的三种小分子给体材料。他们发现，三种小分子材料的热分解温度基本一致。由于A型端基的拉电子能力不同，相应给体材料的光学性能和电化学性能略有不同，端基拉电子作用越强，材料的吸收光谱红移，分子能级降低；反之则吸收光谱蓝移，分子能级升高。

随后，张少青等人将三种小分子给体与非富勒烯型受体材料IT-4F共混制备器件，详细研究了三种端基对于小分子材料与受体材料共混制备的活性层形貌与光伏性能之间的关系。经过器件工艺优化，基于RN:IT-4F的光伏器件的能量转换效率可以达到9.25%，而基于RCN:IT-4F与IDO:IT-4F的能量转换效率仅为6%左右。通过对器件活性层微观形貌的研究发现，带有氰基罗丹宁与1,3-茚二酮为端基的小分子给体在共混薄膜中形成了较大聚集的相区，不利于激子的有效传输与分离，因此基于二者的器件的短路电流乃至光伏性能较低。综上所述，对于A-D-A型小分子给体材料而言，其末端A型基团可以对材料的吸收光谱、分子能级以及与A-D-A型受体材料共混后的微观形貌产生非常大的影响，因此相应器件在光伏性能方面会表现出显著差异。

该研究工作已在物理化学学报上在线发表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201712063)，为特刊“非富勒烯有机太阳能电池”邀请的原创文章9。该工作说明了小分子给体材料设计中端基优化对其光伏性能的重要影响，而且还采用A-D-A分子结构的给体和受体共混制备了具有突出光伏效率的有机光伏电池，对有机光伏材料设计和器件优化提供了重要借鉴价值。