產(chǎn)業(yè)要聞
中南大學(xué)鄒應(yīng)萍：低能隙非富勒烯受體實(shí)現(xiàn)高性能有機(jī)太陽能電池
有機(jī)太陽能電池（OSC）在過去的三十年中由于其優(yōu)異的性能（如柔韌性，輕質(zhì)性，可進(jìn)行大面積制造）而引起了廣泛的關(guān)注和研究。事實(shí)上，由于非富勒烯受體（NFAs）的出現(xiàn)，使得OSC研究取得了巨大進(jìn)步，這是因?yàn)榈湍芟禢FAs能級在1.3到1.6 eV之間，具有廣泛的吸收能力和容易調(diào)節(jié)的能級，當(dāng)與合適的給體分子配對時，可以利用更多的太陽能并保持較小的電壓損耗。高效的OSC取決于給體和受體材料之間的良好兼容性，活性層形態(tài)等。
1.增加分子的共軛長度
增加分子的共軛長度可以增強(qiáng)分子的光捕獲能力，同時擴(kuò)大稠環(huán)的共軛程度，對于增強(qiáng)分子間電荷傳輸和有效鏈間相互作用也是很有作用的。因此，為了開發(fā)新的低能隙NFAs材料，可以擴(kuò)充芳環(huán)的數(shù)目，將π橋引入分子中以及形成醌共振結(jié)構(gòu)。
2.調(diào)節(jié)分子的推拉效應(yīng)
調(diào)節(jié)分子的推拉效應(yīng)可以增加分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移并擴(kuò)大吸收。因此，改變稠合環(huán)中給體或受體單元的給電子和吸電子能力可以促成低能隙，同時優(yōu)化載流子傳輸和能級。此外，對于A-D-A和A-DA'D-A型分子，調(diào)節(jié)D單元的給電子能力和A單元的吸電子能力有利于調(diào)節(jié)分子間推拉效應(yīng)從而調(diào)節(jié)吸收光譜和π-π相互作用，最后獲得所需的低能隙NFAs。
3.調(diào)整分子的結(jié)晶度
側(cè)鏈?zhǔn)荗SC材料中使用最廣泛的增加溶解性的基團(tuán)。側(cè)鏈不僅可以通過額外的范德華相互作用力增加有機(jī)分子與溶劑之間的總相互作用能，而且可以破壞固態(tài)下的分子排列或聚集。NFAs上側(cè)鏈的變化可以排列，因此，吸收光譜和電荷傳輸性質(zhì)也會受到影響。通常，側(cè)鏈調(diào)整是微調(diào)分子結(jié)晶度，分子間堆積和形態(tài)的好方法。此外，A-DA'D-A型分子中心骨架末端單元上的烷基側(cè)鏈對光吸收的影響也很小。因此，可以通過側(cè)鏈調(diào)整工程來獲得更高效低能隙NFAs。
4.開發(fā)聚合物型受體分子
全聚合物OSC由于其獨(dú)特的優(yōu)勢（如良好的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度）引起了廣泛的關(guān)注。盡管如此，基于聚合物受體OSC設(shè)備的PCE仍落后于基于小分子受體的OSC設(shè)備。這是因?yàn)楫?dāng)與高性能聚合物給體材料混合時，大多數(shù)聚合物受體在近紅外區(qū)顯示出較弱的吸收，并且具有不匹配的能級。因此，開發(fā)用于高性能OSC的低能隙聚合物NFAs設(shè)計(jì)方法至關(guān)重要。
總結(jié)
為了開發(fā)出更高效的OSC，目前需要科研工作者們對結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)而徹底的機(jī)制研究，以獲得低能隙NFAs。除此之外，還可以在三元OSC中引入第三種成分以擴(kuò)大吸收，加速電荷轉(zhuǎn)移并調(diào)節(jié)共混物形態(tài)從而改善光伏性能。另一方面，串聯(lián)結(jié)設(shè)備和優(yōu)化的空穴/電子傳輸層也可以有效改善光伏性能。更重要的是，目前需要探索成本更低，穩(wěn)定性更高的光伏材料，促進(jìn)OSC的未來工業(yè)應(yīng)用。
文中所涉及材料：
PM6(1802013-83-7),Y6(2304444-49-1),Y7(2447642-40-0),PC71BM(609771-63-3),IT-4F(2097998-59-7),ITIC(1664293-06-4),PBDB-T(1415929-80-4),IT-M(2047352-86-1),PTB7-Th(1469791-66-9), N3,Y18,PYT等。
文獻(xiàn)地址：
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02384