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。

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。

图2. (a) J-V 曲线；(b) EQE曲线和完整的JSC曲线

表 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

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