全小分子非富勒烯有机太阳电池效率突破10%

刘忠范

北京大学化学与分子工程学院，北京 100871

(a) p-OS小分子给体和n-OS小分子受体IDIC的分子结构；(b)全小分子有机太阳电池的器件结构；(c)基于各给体材料全小分子有机太阳电池的能量转换效率(PCE)

有机太阳电池由 p-型有机半导体(p-OS)给体和富勒烯衍生物或 n-型有机半导体(n-OS)受体共混活性层夹在透明导电电极和金属电极之间所组成，具有结构简单、重量轻、成本低以及可采用溶液加工方法制备成柔性和半透明器件等优点，成为了近年来新能源研究领域的研究热点。将传统有机太阳电池使用的富勒烯衍生物受体用 n-OS受体材料取代，可以克服富勒烯受体存在的可见光区吸光弱、能级调控困难和形貌稳定性差等缺点，是提高有机太阳能电池光伏性能和稳定性的有效方法。

有机太阳电池 p-OS给体光伏材料包括共轭聚合物和有机小分子两类材料。与聚合物相比，小分子材料具有确定的分子结构、无合成批次差别、易提纯等优点，因此有机小分子给体光伏材料也引起了人们的广泛关注。全小分子非富勒烯有机太阳电池使用 p-OS小分子给体和非富勒烯 n-OS小分子受体，同时具有小分子给体材料和非富勒烯受体材料的优点，最近成为有机太阳电池领域的一个重要研究方向。中国科学院化学研究所李永舫研究组最近在 p-OS小分子给体材料和全小分子非富勒烯有机太阳电池的研究中取得系列研究进展1–3，使这类器件的能量转换效率突破了10%。

p-OS小分子给体材料多采用A-π-D-π-A型(其中D代表给体结构单元、A代表受体结构单元)线性分子结构。他们首先在其开发的用于非富勒烯聚合物太阳电池的 J-系列高效聚合物给体光伏材料的基础上，将J-系列聚合物小分子化，合成了基于苯并二噻吩(BDT)为给体单元、氟取代三氮唑(FBTA)为受体单元、乙腈脂基为末端受体单元的p-OS小分子H11和H12 (分子结构见图a)。以H11为给体、n-OS小分子 IDIC为受体的全小分子有机太阳电池开路电压(Voc)达到0.977 V，能量转换效率(下面简称效率)达到9.73%1。

非富勒烯 n-OS受体材料具有各向异性的共轭骨架的特点，因而优化p-OS的分子结构来调节全小分子活性层的形貌以形成良好的给体-受体纳米尺度相分离的互穿网络结构，是提高全小分子非富勒烯有机太阳电池光伏性能的重要手段。他们以BDT为中心给体单元、将寡聚噻吩结构引入p-OS分子结构中，合成了两个p-OS分子SM1和SM2 (分子结构见图a)。基于SM1:IDIC的全小分子有机太阳电池效率达到 10.11%2，这是全小分子非富勒烯有机太阳电池效率首次突破10%。

在基于噻吩取代BDT的二维共轭聚合物中，硅烷基侧链可以有效地降低聚合物的 HOMO能级，增强吸收和提高空穴迁移率。为了进一步提升全小分子有机太阳电池的光伏性能，他们最近又将硅烷基噻吩为侧链的二维 BDT单元引入到 p-OS小分子给体材料中，合成了两个新的p-OS小分子给体光伏材料H21和H22 (分子结构见图a)，并研究了不同末端受体单元对材料物理化学性质及其光伏性能的影响。基于H22:IDIC的全小分子有机太阳电池的光电转换效率进一步提升到10.29% (其中填充因子达到 71.15%，开路电压为0.942 V，短路电流 15.38 mA·cm−2)，相关研究成果发表在近期的Advanced Materials上3。图中给出了这些p-OS小分子给体和n-OS小分子受体IDIC的分子结构、全小分子有机太阳电池的器件结构以及各给体材料的光伏能量转换效率。