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基于二噻吩并[3,2-b:2′,3′-d]吡咯的稠环非富勒烯受体材料

随着非富勒烯受体材料的迅速发展,有机太阳能电池(OSCs)的光电转换效率屡创新高,单层有机太阳能电池的效率已突破了13%。目前,大多数OSCs光活性材料依然存在能量损失大、对近红外光吸收较弱等不足。理论研究结果表明,理想的活性层吸收应覆盖整个太阳光谱,以捕获更多的太阳光能。超窄带隙受体材料的应用已经出现了一些成功的案例,如IEICO-4F,显现出窄带隙小分子受体的应用潜力。

最近,南京理工大学唐卫华教授和北京交通大学张福俊课题组合作,报道了两个具有近红外吸光能力的非富勒烯受体材料INPIC与INPIC-4F。作者将带有助色基团的二噻吩并[3,2-b:2′,3′-d]吡咯(DTP)用于构建稠环给电子单元,DTP的引入增强了分子内电荷传输,同时拓宽了分子的光谱吸收。以九元稠杂环为给电子单元的大共轭结构,能够实现更有效的分子堆积以及分子间的电荷传输。同时,DTP的易修饰性为后续受体材料结构优化提供了更多的可能性。以INPIC-4F为受体材料的单层二元电池,实现了高达13.13%的光电转化效率。该文章发表在国际顶级期刊(知名期刊)Adv. Mater.上(影响因子:19.791)。

作者测试了所设计的两个分子的吸光性能,INPIC和INPIC-4F在600~900nm范围内均表现出很强的光吸收。相比INPIC,INPIC-4F具有更加红移的吸收,起始吸收接近900nm,其最大吸光度高达3.51×10^5 M-1 cm-1,可与给体材料PBDB-T的吸收光谱互补。CV曲线与器件结果表明,INPIC和INPIC-4F相对较高的LUMO能级保证了器件能够获得较高的开路电压。

基于二噻吩并[3,2-b:2′,3′-d]吡咯的稠环非富勒烯受体材料

图1. (a) PBDB-T, INPIC和INPIC-4F的分子结构;(b) PBDB-T, INPIC和INPIC-4F薄膜状态下的UV-vis-NIR吸收光谱;(c) INPIC和INPIC-4F的CV曲线

作者制备了单层器件,比较了INPIC与INPIC-4F的器件性能。如图2所示,基于INPIC-4F的器件最高效率可以达到13.13%,能量损失仅为0.54 eV。而基于INPIC的器件最高效率只有4.31%。其中,PBDB-T:INPIC-4F器件在手套箱中放置600小时后,器件效率依然保持到11.49%。INPIC-4F与另一商业化给体材料PTB7-Th匹配,同样可以取得11.55%的高转化效率。

基于二噻吩并[3,2-b:2′,3′-d]吡咯的稠环非富勒烯受体材料

图2. (a) J-V 曲线;(b) EQE曲线和完整的JSC曲线

1.基于PBDB-T:INPIC和PBDB-T:INPIC-4F有机太阳能电池的主要光伏参数

基于二噻吩并[3,2-b:2′,3′-d]吡咯的稠环非富勒烯受体材料

之后,作者研究了这两个材料的电荷传输性能,INPIC-4F的电子迁移率为1.28×10-3 cm2 V-1s-1,比INPIC高近一个数量级。进一步研究发现,INPIC-4F器件的激子解离与传输更有效,同时,双分子复合得到抑制,故INPIC-4F器件的短路电流JSC与填充因子FF远高于INPIC器件。

该工作报道了具有近红外光吸收性能的窄带隙小分子受体,基于INPIC-4F的有机太阳能电池获得了13.13%的光电转化效率,具有很大的应用潜力。

Jia Sun, Xiaoling Ma, Zhuohan Zhang, Jiangsheng Yu, Jie Zhou, Xinxing Yin, Linqiang Yang, Renyong Geng, Rihong Zhu, Fujun Zhang, and Weihua Tang, Dithieno[3,2-b:2′,3′-d]pyrrolFused Nonfullerene Acceptors Enabling Over 13% Efficiency for Organic Solar Cells, Advanced Materials, 10 (2018), DOI: 10.1002/adma.201707150

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