Adv. Mater.:BTPR,一种可降低OSC陷阱密度的新型非富勒烯受体

1.前沿

由给体和受体组成的体异质结有机太阳能电池（BHJ OSC）近年来因其独特的优势（例如成本低，柔性高且易于制造）受到了国内外的广泛关注。自从2015年北京大学占肖卫教授课题组开发出ITIC及其衍生物作为BHJ OSC的受体以来，稠合环受体分子（FREA）进一步取代了富勒烯受体，极大地促进了OSC效率和稳定性的发展。到目前为止，采用高性能聚合物给体（例如PM6，PM7和D18等）和FREA（例如Y6，M34和BTP-4Cl等）匹配制备的器件光电转换效率（PCE）已达到18%以上。然而，这些器件效率还是低于无机/混合太阳能电池（例如晶体硅和杂化钙钛矿材料）。主要是由于用作光敏层和/或界面层的有机半导体的禁带中的陷阱态和局部电子态，BHJ OSC的高非辐射复合率会导致的相对较大的能量损失，从而进一步限制了OSC发展。

图1：Y6与BTPR结构示意图与光谱测试、能级图

基于以上的问题，近日，化学研中科院究所林禹泽研究员，香港中文大学路新慧教授以及首都师范大学左霞教授等人合作设计和开发了一种新型Y6类似物受体分子，BTPR。BTPR与Y6的唯一区别在于端基IC-2F替换成了3-乙基罗丹宁，该基团可以有效地增强分子堆积。相关测试结果显示，BTPR的二氯甲烷溶液在385至603 nm处显示强吸收，并且在603 nm时消光系数高达1.07×105 M^-1 cm^-1。与溶液相比，BTPR薄膜的最强吸收峰红移至628 nm，另外BTPR薄膜从689 nm处开始吸收，其光学带隙为1.80 eV，HOMO能级和LUMO能级分别为-3.45 eV和-5.44 eV。此外，BTPR表现出与D18和Y6的互补吸收，以及级联型匹配的LUMO能级，有利于太阳光的收集，从而增强活性层界面上电子转移。因此，BTPR有望用于D18:Y6 的OSC体系中充当第三组分，从而获得更高性能。

图2：相应材料的二维掠入射X射线散射图

研究人员随即将BTPR应用于基于D18:Y6的二元OSC体系中之中，研究结果显示，基于D18:BTPR:Y6的三元OSC器件的陷阱密度较低，从而降低了非重组率，进一步降低了整体的能量损失，其中开路电压（V_OC）为0.863 V，短路电流密度（J_SC）为27.65 mA cm⁻²，填充因子（FF）为0.746，最终获得了高达17.8%的光电转换效率（PCE），而二元器件的PCE为17.1%。更重要的是，该三元体系的陷阱密度低至1015 cm^-3，与非晶硅，金属氧化物以及钙钛矿卤化物薄膜相当甚至更低，根据相关文献中陷阱密度与器件效率之间关系的分析，这一优点有望使得OSC的PCE达到20%。另一方面，三元器件的非辐射能量损耗降低到0.217 eV，对于OSC而言已经是非常低的损耗。

图3：相关性能测试

综上，这项工作不仅开发出一种新型非富勒受体分子BTPR用于制备高性能BHJ OSC器件，同时也提出一种新策略，即通过采用受体类似物作为添加剂来降低BHJ OSC的陷阱密度，从而有望扩展到其它基于有机半导体的电子应用之中，例如场效应晶体管，发光二极管，超快光电探测器等。相关研究成果现已发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“An Electron Acceptor Analogue for Lowering Trap Density in Organic Solar Cells”。

文献地址：

https://doi.org/10.1002/adma.202008134

文中所涉及材料：

Y6：2304444-49-1

D18：2433725-54-1

RDN：7648-01-3

TPBT-CHO：2304444-53-7