中科院化学所侯剑辉团队Adv. Mater.：单结有机光伏电池的效率接近18%

【引言】

有机光伏（OPV）电池具有独特的优势，如柔韧性、重量轻、色彩可调，并且可以通过低成本的溶液处理方法来制造大面积的OPV面板，这些优点有望使它们具有巨大的应用潜力。自2015年以来，供体-受体概念被纳入ITIC等非富勒烯受体（NFAs）的设计中。NFA基OPV电池的能量损耗被抑制至0.7 eV以下，从而将PCE提升至≈15％。近来，一种名为Y6的NFA及其衍生物因其优异的光伏性能而备受关注。目前，基于Y6系统的OPV电池的PCE产量已超过16％，在商业应用中显示出巨大的潜力。这些进步也带来了一个关键问题，即如何通过设计新材料进一步改善PCE。对于有机半导体，烷基链对分子间的堆积和电荷传输具有重要作用。要获得优良的分子堆积，必须充分优化烷基链，发掘其在提高相应电子器件性能方面的优势。例如：基于PffBT4T/PCBM的共混膜可以通过PffBT4T中烷基链的细微变化来调节共混薄膜的相区尺寸和纯度。结果，具有最佳烷基链的聚合物的PCE达到了11.7％，这是富勒烯基OPV电池的最高值之一。因此，对烷基链进行精细的优化，有可能进一步提高OPV电池的光伏性能。

【成果简介】

近日，中国科学院化学研究所侯剑辉团队的姚惠峰等人与国家纳米科学中心和瑞典林雪平大学合作，对Y6衍生物边缘的烷基链进行了优化，并研究了它们在OPV电池中的应用。将正十一烷基（C11）缩短为正壬基（C9）和正庚基（C7），合成了名为BTP-eC9和BTP-eC7的NFAs。与BTP-eC11相比，具有较短烷基链的BTP-eC9显示出合适的溶解度以及适当的结晶性，降低了Urbach能，并增强了载流子迁移率。值得注意的是，由于短路电流密度和填充因子的提高，基于BTP-eC9的单结OPV电池获得了17.8％（17.4±0.2％）的PCE，认证值为17.3 ％。然而，进一步缩短烷基链，导致BTP-eC7的溶解度显著降低。BTP-eC7的加工性能差，光伏应用不佳。这些结果表明，通过对烷基链的精细优化，可以获得优异的光伏性能。团队预计，通过进一步优化供体材料和器件加工工程，如多组分共混和形貌控制，可以实现更高的PCE。该成果以题为“Single-Junction Organic Photovoltaic Cells with Approaching 18% Efficiency”发表在了Adv. Mater.上。通讯作者是姚惠峰博士，第一作者是崔勇博士。

【图文导读】

图1 Y6分子构型的图解

空间填充模型突出显示了两种烷基链（以绿色和红色显示）。在实验室中对Y6的化学改性：第一步：氟化到氯化；第二步：优化吡咯上的烷基链；第三步：调整边缘上的烷基链（本工作中，C9和C7分别取代边缘上的C11制备BTP-eC9和BTP-eC7）。

图2 NFA薄膜的结构表征

a）NFA薄膜的归一化光吸收光谱。

b）纯NFAs基的器件的高灵敏度EQE光谱。

c）NFA薄膜的2D GIWAXS图案。

d）IP和e）OOP方向的提取图。

图3 NFA的光伏特性

a）最佳器件的J-V曲线。

b）64个器件的PCEs的直方图。

c）在NIM中得到的J−V和功率密度曲线。

d）最佳电池的EQE曲线。

e）器件的Photo-CELIV曲线。

f）V_OC和J_SC对P_light的依赖性。

图4 薄膜的AFM表征

a-c）AFM高度图像：a）PBDB-TF：BTP-eC11，b）PBDB-TF：BTP-eC9，和c）PBDB-TF：BTP-eC7混合膜。

d-f）AFM相图：d）PBDB-TF：BTP-eC11，e）PBDB-TF：BTP-eC9，以及f）PBDB-TF：BTP-eC7混合膜。

图5 2D GIWAXS图

a-e）2D GIWAXS图：a）PBDB-TF，b）PBDB-TF：BTP-eC7，c）PBDB-TF：BTP-eC9和d）PBDB-TF：BTP-eC11 。

e）PBDB-TF和PBDB-TF：NFAs的1D曲线图。

【小结】

综上所述，团队对Y6型分子边缘的烷基链进行了精细的优化，并研究了所得NFAs在制备高效OPV电池中的应用。通过逐步将C11的烷基链缩短至C9、C7，合成了BTP-eC9和BTP-eC7的NFAs。BTP-eC9保持了良好的溶解性，同时具有增强的分子间有序度。在BTP-eC9基的器件中，较好的形貌特征改善了电荷传输并抑制了电荷重组。因此，最优的OPV电池获得了17.8%的PCE（17.4±0.2％，经验证为17.3％），是OPV电池中最优的结果之一。对于BTP-eC7，它在共混物中溶解度低，聚集过度，影响了器件中的光伏效率。这些结果表明，对具有优良共轭骨架的OPV材料进行精细的化学结构优化，对于充分挖掘其光伏性能具有重要意义。研究认为，通过合理的器件设计，如采用多配位体或配位体的共混，控制共混形貌，选择高效的中间层等，可以进一步提高PCE的性能。

文献链接：Single-Junction Organic Photovoltaic Cells with Approaching 18% Efficiency（Adv. Mater.， 2020，DOI:10.1002/adma.201908205）

【团队介绍】

侯剑辉：中国科学院化学研究所研究员，中科院百人计划，国家杰出青年基金获得者，入选 "万人计划"青年拔尖人才和科技创新领军人才。长期从事有机光伏材料设计和器件制备研究。发表SCI论文300余篇，包括Nat. Mater.，Nat. Energy，Nat. Photon.，J. Am. Chem. Soc.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.，Adv. Mater.等；论文他引40000余次；授权发明专利18项（中国16项，美国2项）。

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本文由木文韬翻译。

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