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非富勒烯全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池效率的研究

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:640次  |  2019年01月21日  

有機(jī)太陽(yáng)電池由p-型有機(jī)半導(dǎo)體(p-OS)給體和n-型有機(jī)半導(dǎo)體(n-OS)受體共混活性層夾在透明導(dǎo)電電極和金屬電極之間所組成,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、成本低以及可采用溶液加工方法制備成柔性和半透明器件等優(yōu)點(diǎn),成為了近年來(lái)新能源研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

非富勒烯全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池效率研究獲進(jìn)展

其中p-OS給體光伏材料包括共軛聚合物和有機(jī)小分子兩類材料。與聚合物相比,小分子材料具有確定的分子結(jié)構(gòu)、無(wú)合成批次差別、易提純等優(yōu)點(diǎn),因此有機(jī)小分子給體光伏材料也引起了人們的廣泛關(guān)注。全小分子非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池使用p-OS小分子給體和n-OS小分子受體,同時(shí)具有小分子給體材料和非富勒烯小分子受體材料的優(yōu)點(diǎn),最近成為有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

在中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目的支持下,中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫課題組研究人員最近在p-OS小分子給體材料和全小分子非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)電池的研究中取得系列研究進(jìn)展,使全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率突破了10%。

p-OS小分子給體材料多采用A-π-D-π-A型(其中D代表給體結(jié)構(gòu)單元、A代表受體結(jié)構(gòu)單元)線性分子結(jié)構(gòu)。他們首先在其開(kāi)發(fā)的用于非富勒烯聚合物太陽(yáng)電池的J-系列高效聚合物給體光伏材料的基礎(chǔ)上,將J-系列聚合物小分子化,合成了基于苯并二噻吩(BDT)為給體單元、氟取代三氮唑(FBTA)為受體單元、乙腈酯基為末端受體單元的p-OS小分子H11和H12(分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)。以H11為給體、n-OS小分子IDIC為受體的全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓(Voc)達(dá)到0.977V,能量轉(zhuǎn)換效率(下面簡(jiǎn)稱效率)達(dá)到9.73%(J.Am.Chem.Soc.2017,139,5085-5094.)。

n-OS小分子受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點(diǎn),因而優(yōu)化p-OS的分子結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),是提高全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池光伏性能的重要手段。他們以BDT為中心給體單元、將寡聚噻吩結(jié)構(gòu)引入p-OS分子結(jié)構(gòu)中,合成了兩個(gè)p-OS分子SM1和SM2(分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)?;赟M1:IDIC的全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池的效率達(dá)到10.11%(ChemMater.2017,29,7543–7553.),這是全小分子非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)電池效率首次突破10%。

非富勒烯全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池效率研究獲進(jìn)展

在基于噻吩取代BDT的二維共軛聚合物中,硅烷基側(cè)鏈可以有效地降低聚合物的HOMO能級(jí),增強(qiáng)吸收和提高空穴遷移率。為了進(jìn)一步提升全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池的光伏性能,他們最近又將硅烷基噻吩為側(cè)鏈的二維BDT單元引入到p-OS小分子給體材料中,合成了兩個(gè)新的p-OS小分子給體光伏材料H21和H22(分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1),并研究了不同末端受體單元對(duì)材料物理化學(xué)性質(zhì)及其光伏性能的影響?;贖22:IDIC的全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升到10.29%。這一結(jié)果最近發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Adv.Mater.,2018,30,1706361.)上。

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