第三组分端基对非富勒烯有机太阳能电池性能的影响

庄林

武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

第三组分分子结构及太阳能电池电流密度-电压(J-V)曲线

有机聚合物太阳能电池具有成本低、重量轻、半透明、制作工艺简单、可制备大面积柔性器件等突出优点，成为近年来的研究热点之一1。有机太阳能电池活性层由电子给体和电子受体组成，通常采用本体异质结结构2。富勒烯电子受体及其衍生物如[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)和[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)具有电子迁移率高、电子亲和势较高等优点被广泛使用。然而，富勒烯电子受体具有可见区及近红外区吸收弱、能级难以调控、化学制备困难、光热稳定性较差等缺点，限制了器件光电转换效率的进一步提高，形貌稳定性较差，影响器件稳定性。近3年来，非富勒烯电子受体发展迅速，其单结有机太阳能电池的光电转换效率由6%发展到14%3,4。与富勒烯受体相比，非富勒烯受体具有分子能级可调、可见及近红外区吸收强、合成较容易等优点，特别是以明星分子七并稠环-腈基茚酮类化合物(ITIC)5为代表的稠环电子受体受到广泛关注6。

除发展新型材料以外，通过选用合适的第三组分构筑三元共混有机太阳能电池可以进一步提高器件的光电转换效率。第三组分可提高光谱吸收互补性从而提高电池的短路电流，同时提高激子解离能力、电荷传输能力及改善活性层形貌(如结晶度、分子取向、相区尺寸及相纯度等)，从而提高器件的开路电压及填充因子7。基于富勒烯受体的三元共混有机太阳能电池效率高达14%8，然而，全非富勒烯电子受体三元共混器件的研究依然不多，其光电转换效率有待提高，器件机理仍需深入研究。北京大学占肖卫、韩平畴等人制备了基于稠环电子受体的三元共混太阳能电池，并进行了系统性研究。

该工作已在物理化学学报上在线发表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201804231)9。该文章主要讨论了两种端基不同的第三组分在三元共混有机太阳能电池中的作用。文章利用宽带隙聚合物苯并二噻吩-二氟苯并氮三唑共聚物(FTAZ)作为给体，窄带隙稠环电子受体六噻吩稠环-氟代腈基茚酮类化合物(FOIC)作为受体，中带隙稠环电子受体五并稠环-腈基茚酮类化合物(IDT-IC)和五并稠环-腈基苯并茚酮类化合物(IDT-NC)分别作为第三组分，制备了两种三元有机太阳能电池。基于FTAZ:FOIC:IDT-IC的三元共混体系，相比于二元体系FTAZ:FOIC，开路电压，短路电流和填充因子同时提高，器件效率达 11.2%。对于FTAZ:FOIC:IDT-NC体系，由于IDT-NC和FOIC的LUMO能级相近，吸收光谱高度重叠，导致开路电压增加很小，短路电流降低，仅实现10.4%的光电转换效率。该工作对于基于稠环电子受体的三元共混有机太阳能电池研究具有重要的启发意义。