有机太阳能电池具有可调节分子结构，易制备柔性器件等特征，效率逐年递增，并可通过低成本的溶液处理法来制备大面积电池，是未来可商业化的优秀材料。优化有机材料的分子结构是提高效率的最有效方式之一，在高效率的具有特定π-共轭骨架的分子体系中，微调烷基链是一种高明而又便捷的方法。 中科院化学研究所的科研人员对BTP-4Cl-BO(类Y6衍生物)这一非富勒烯受体进行烷基链优化，将BTP-eC11的烷基链边缩短为正壬基与正庚基，得到了溶解度相对较差的BTP-eC7与具有良好溶解性的BTP-eC9，增大了电子传输性能的BTP-eC9的单结电池同时提高了短路电流密度和填充因子，获得了17.8%的记录效率，并获得了17.3%的认证效率。研究显示，最小化的烷基链获得合适的溶解性与更强的分子间堆叠，对进一步提高器件光电性能有着指导意义。相关论文以”Single-Junction Organic Photovoltaic Cells with Approaching 18% Efficiency”为题与3月29日发表在Advanced Materials. 论文链接： https:///10.1002%2Fadma.201908205 研究者在Y6小分子上氯取代了末尾氟原子得到BTP-4Cl，光吸收范围扩宽，并制备BTP-eC7与BTP-eC9。在不同溶剂(氯苯，氯仿，邻二氯苯)中比较受体材料的溶解性，并研究分子的结晶性与有序性，表现较为良好的BTP-eC9与剩余两种材料BTP-eC7与BTP-eC11共同与给体PBDBT-F混合溶液制备高性能太阳能电池，其中BTP-eC9由于出色的形貌特征使得电荷传输得到有效改善并且抑制了电荷重组及不必要的非辐射复合，而过短的烷基链使得材料BTP-eC7溶解度急剧下降，在混合溶液成膜过程中聚集性增大，薄膜形貌较差导致了器件的衰败。 图1：Y6分子结构（包含红，绿两种烷基链），通过三步分子结构调整：1.氯取代2.优化吡咯环上的烷基链3.调整边缘的烷基链 图2：(a).纯膜吸收光光谱 (b).纯膜高灵敏度EQE光谱 (c).纯膜2D Giwaxs模式图 (d). Inplane和out plane的切割轮廓 图3：(a).三种器件J-V曲线 (b).BTP-eC9效率分布图 (c).BTP-eC9器件认证图 (d).三种器件EQE曲线 (e).三种器件的Photo-CELIV曲线 (f).三种器件变光强曲线 图4:（a.d）PBDBTF:BTP-eC11混合膜 AFM高度图与相图 (b.e)PBDBT-F:BTP-eC9混合膜AFM高度图与相图 (c.f)PBDBTF:BTP-eC7混合膜 AFM高度图与相图 总的来说，作者利用高性能受体材料Y6进行三步法改性获得三种烷基链不同长度的受体材料，当调控合适长度并有最强分子间作用的BTP-eC9制备器件后，获得了目前最高之一的有机太阳能电池认证效率。作者指出在材料共轭主链上巧妙的优化有机材料的化学结构对于充分探索其光伏性能具有重要意义，对制备工艺流程中加工技术的改善如：给受体多次混合，控制混合膜表面形貌，选择高效能的传输层是实现高效率器件不可或缺的一环。(文：kirin) |
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