太阳能电池中小分子有机半导体材料的合成及其应用分析

2021-08-31潘璐

科技经济导刊 2021年22期

关键词：空穴能级受体

潘璐

（兰州博文科技学院基础课部, 甘肃兰州 730101）

1.有机太阳能电池结构及其工作原理

光生伏特效应是有机太阳能电池的工作原理，主要分为四部分。

1.1 激子的产生

在活性层的材料吸收了光子能量以后，它最高占有轨道上的电子被激发然后移迁到最低的未被占有的轨道上（LUMO），然后在HOMO轨道上留下一个空的穴口。HOMO轨道上的空穴和LUMO轨道上的电子在库仑力的作用下被束缚成一对电子-空穴对，将这对电子-空穴对称之为激子[1]。

1.2 激子的迁移和扩散

电子在跃迁过程当中产生的激子会扩散到受体的界面上。“激子”在扩散的时候主要是依靠能量转移，偶极子在振动的时候会引起周围份子的振动，同时也能将能量传递给周边的分子，然而周边的分子收到激发从而产生激子。激子是有一定寿命的，所以它在一定的时间内就会复合。激子的扩散距离大概为10nm，如果不在这个范围内，就会发生复合。因此，会经过形貌优化对当前广泛使用的本体异质结构进行改变，尽可能的实现连续的给受体互穿网络，提供更多的给受体界面，从而减少激子的复合。

1.3 激子的解离

在激子扩散到给受体界面的时候，给受体HOMO、LUMO的存在能力特别差，激子就会发生解离。此时电子与空穴的给体与受体正好相反，电子是由给体的LUMO能级传输到受体的LUMO能级上，空穴是由受体的HOMO能级传输到给体的HOMO能级上。激子在解离的时候需要给体与受体之间存在适当的能级差，之前一般规定这个能极差需要比0.3eV要大，但是现在已经有出现很多能极差比0.3eV要小。

1.4 载流子的传输

由于阴极、阳极材料的功函不同，所以产生的驱动力也不同，当激子解离为自由电子后，电子在受体相中后向阴极的一方传输，空穴则向给体相中的阳极传输，最后都被收集从而形成电流。在这个过程当中，电荷受到迁移率的影响比较大，除此之外，给受体还受到自身性质的影响，假如给受体相结晶度比较高的话更有利于电荷的传输。

2.基于茚并噻吩非对称小分子的合成及其在有机太阳能电池中的应用

有机太阳能在过去的几十年当中取得了卓越的进步。其中电荷的分离和传输变得更加有效，这源于器件结构从双层异质结到本体异质结的改变，当前使用的本体异质结机构的有机太阳能电池效率已经达到了百分十之十六点多，这就说明有机太阳能电池的效率已经有了很大提高。虽然太阳能电池在当前已经取得了很大的成果，但是要想将有机太阳能发展商用，仍然需要解决很多的问题。我们知道提高有机太阳能电池的效率主要在于改变开路电压以及短路电流的效率，然而现在已经使用的改进方法主要是改变活性层材料分子的结构设计，主要对活性层纳米的相貌进行优化以及对界面工程的改变。

除此之外，叠层、三元太阳能电池这两个策略也收到了特别的关注。相比较而言，叠层电池在制备过程当中的工艺比较复杂，膜厚需要进行特别的精确控制，并且相对而言，它的成本比较高，然而三元策略就相对比较简单，更具有重复性[1]。

跟二元有机太阳能电池相比，三元有机太阳能电池一般情况下包含一个给体还有两个受体或者是两个给体和一个受体。三元电池中的第三组分的选择一般考虑到以下几个方面：

如图1-1（a）所示，第三组份能够将二元体系的吸收光谱拓宽，从而将短路电流增强；

如图1-1（b）所示，第三组份能够和二元体系形成级联能级，从而提高Voc；

图1-1 双给体三元太阳能电池示意图

第三组份有合适的结晶性，能够优化活性层纳米形貌，从而提高填充因子。

将不对称的茚并噻吩作为核心的结构单元，跟现在报道的许多对称结构相比较，不对称结构往往会产生更大的固有偶极矩，所以能够使分子间偶极矩进行相互作用并且进行平行分子的排列，进而使π-π堆积更强，这样可以改变共混膜的形态，从而抑制双分子的重组从而提高电荷载流子迁移率。与此同时，使用强吸电子的丙二腈、5,6-二氟-1,1-二氰基亚甲基-3-茚满酮作为端基并将其合并成两个结晶性较高的小分子ITDCN和ITDCF[2]。茚并噻吩单元与较弱的供电子特性相比，更有利于增加店里电势并改善器件的Voc。另外，据相关报道称，不对称茚并噻吩还有利于实现中等吸收以及能级。吸电子的增加末端基团的能力能够减低复合带隙，预计ITDCF的带隙比ITDCN的药窄。

3.基于BDT的A-D-A型小分子给体的合成及其在有机太阳能电池中的应用

在最近几年，鉴于有机太阳能电池重量轻、成本低以及可柔性等优点得到了飞速的发展。小分子光伏具有结构明确、合成便捷、无批次问题、易于提纯等特点，因此受到研究者的广泛关注。现在利用小分子材料的有机太阳能电池取得了很大的进步，单结效率已经超过16%。与聚合物给体材料相比，效率明显提高，然而目前小分子给体材料的研究还处于起步阶段，需要研究者付出更多的努力。一个理想的小分子给体材料要想在有机太阳能电池中进行很好的应用，需要满足下面的几个条件：

需要尽可能的拥有与太阳光谱相匹配的吸收光谱还有高吸收系数，从而提升短路电流的密度；

HUMO的能级相对较低，从而提升开路的电压；

平面分子具有较大的扭转能，从而减少因子转动引起的能量损失；

需要具有适度的结晶性，从而更易于在活性层中与受体形成良好的分相，加大载流子的迁移率。

现在已经有很多关于小分子给体的报道，但是器件效率和聚合物给体相比较仍然有比较大的差距。然而很少有小分子给体材料能够同时满足上面所说的要求。苯并二噻吩（BDT）经过研究发现，具有高度对称的平面结构以及较大的芳香杂环共轭结构，这种结构很容易实现分子间π-π堆积，其中较大的π电子离域体系更有利于提升器件载流子的迁移率。与此同时，BDT分子上有两个位点能够提升它的光伏性能。鉴于这些优点，BDT单元在有机光电材料当中拥有很广泛的应用。然而A-D-A构小分子拥有特别强的分子内电荷转移作用，这种构型能够有效拓宽分子的吸收区间，从而降低分子HOMO的能级，提高器件光伏的性能，因此也被广泛应用于有机光电材料中。