含有π桥的非富勒烯小分子受体的研究

潘 慧，夏养君

（兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃兰州 730070）

1 概述

由于拥有通过低成本的旋涂方法制造大面积的柔性太阳能电池板的巨大潜能[1]，最近几十年来，本体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSCs）[2]受到了研究者们的广泛关注。随着人们的深入研究，最近，由于其可以很大程度上克服基于富勒烯太阳能电池固有的缺点，如较难调控的分子能级，有限的光谱吸收范围以及容易聚集的活性层等，含有A-D-A型非富勒烯小分子电子受体（NFAs）的有机太阳能电池（PSCs）成为了一类很有前途的太阳能电池。依赖于人们对这类分子的设计与合成，目前，基于NFAs的太阳能电池的光电转化效率已经超过了18%。其中最好的例子就是2020年1月由丁黎明课题组在《科学通报》上发表的以D18为给体，Y6为受体的体系，其光电转化效率达到了18.22%。为了进一步提高这种给受体体系工艺水平的光电转化效率，人们致力于开发更多新的给受体材料。作为一种将太阳光能转化为电能的装置，其材料应该具有广泛吸收太阳光谱的特点，这是提高此类太阳能电池光电转化效率的关键方法之一。比较成功的单晶硅太阳能电池有很宽的光谱吸收带，可以响应到1 100nm，使得光电转化效率超过25%。因此，在OSCs领域，设计合成和运用窄带隙光电材料对于进一步提高效率是至关重要的。

由于拥有通过低成本的旋涂方法制造大面积柔性太阳能电池板的巨大潜能[1]，最近几十年来，本体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSCs）[2]受到了研究者们的广泛关注。

在过去的几十年中，人们设计和运用了多种吸收光谱拓展到近红外区的聚合物和小分子[3]，使得光谱响应达到800nm，带隙Eopt超过1.55eV，光电转化效率超过11%的材料的OSC器件取得了重大的进展[4]。然而，进一步拓宽光谱响应到红外区域会造成重大的能量损失（Eloss=Egopt-eVoc）[5]，到目前为止，最有效的OSC器件，其带隙Egopt=1.2±0.1eV ，器件效率是5%～6%，短路电流密度高至20mA/cm2，然而其开路电压只有0.4～0.5eV，相应的能量损失达到0.6～0.8eV[6]。因此，设计新的提高器件效率的光电材料仍然是这一领域很大的一个挑战。

为了提升有机太阳能电池的性能，进一步提高光电转化效率，受体材料的前线分子轨道应该与一些典型给体的分子轨道相匹配，合适的LUMO能级有利于提高器件的开路电压，并且确保有效的电荷传输。另一方面，除了个别材料，例如Y6[7]等，大多数这种A-D-A型分子的带隙都超过了1.55eV，这就意味着这些受体的吸收边不到800nm，限制了材料的吸光能力。因此，发展合成步骤较短，带隙较窄的含有π桥的小分子受体引起了大家的兴趣。

2016年，Zhu Xiaozhang[8]团队在研究过程中在IEIC分子的π桥上增加了一个共轭的噻吩环，设计和合成了一个新的小分子受体，命名为ATT-2.该非富勒烯小分子受体有很宽的薄膜吸收，从300nm到940nm，带隙Egopt=1.32eV。当与PTB7-Th混合作为太阳能电池的活性层时，其器件的效率达到了9.58%，有一个很高的短路电流密度20.75mA/cm2，开路电压是0.73V，填充因子是63%。与IEIC相比，基于ATT-2的器件高的短路电流密度和填充因子足够补充开路电压的降低，因此总体可以提高器件的效率。此外非富勒烯小分子受体ATT-2可以与给体PTB7-Th在近红外区域形成较好的光吸收互补，这对于提高器件效率是有利的。通过利用Ag电极，此半透明有机太阳能电池短路电流密度18.53mA/cm2，可见光区的平均透射率达到37%，器件效率7.74%，达到当时单节太阳能电池的最大效率。

2 总结分析

从近几年的性能优秀的小分子设计及合成发现，给受体间分子能级的合理匹配可提升开路电压并减小能量损失，拓宽吸收光谱从而加大光能利用率提升短路电流密度，改善分子间的堆积效果进而影响其膜的形态，提高电子迁移率平衡电荷传输，提升薄膜器件的稳定性，进而提高PCE。而π桥的引入不仅可以拓宽材料的吸收光谱，从而提高器件的短路电流密度，且这类材料在合成过程中也较传统的的合成方法简短，节省了原料和时间。想要进一步提高器件的效率，还应该在材料、器件的多方面不断努力，相信不久的将来，这类太阳能电池就能实现商业化。