浙江大学陈红征&左立见&朱海明Nat. Commun.:不对称受体使高发光有机光伏器件效率超过18%

发表时间：2022-05-13 10:23作者：知研光电材料

导语：研究人员通过固态分子堆积的观察、分子间相互作用的理论计算、电荷动力学行为等多个角度深入研究了带有卤代吲哚酮和卤代氰基吲哚酮末端基的不对称非富勒烯受体对器件性能的影响。陈红征&左立见&朱海明Nat. Commun.:不对称受体使高发光有机光伏器件效率超过18%

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1.前言回顾

有机光伏（OPV）作为一种新兴技术，由于其特殊优势，如灵活性、低成本、对可见光的选择性吸收等，在可再生能源方面显示出巨大的应用潜力。研究人员在分子设计、形态控制、界面工程和器件结构方面的付出了诸多努力，使得OPV的光电转换效率（PCE）已经突破了19%，接近商业化应用的要求。在基于非富勒烯受体（NFA）的OPV器件中，非辐射衰减得到显著减少，Y6及其衍生物的出现使OPV器件PCE超过了18%。Y6具有香蕉形状和相当多孔的三维（3D）堆积特性，从而获得了显著的光电特性，包括低激子结合能和具有高载流子迁移率的双极电荷传输能力。

不对称型NFA近年来也逐渐走入人们的视线，最近报道的Y系列不对称型NFA主要分为三类：（i）具有不对称中心核的Y系列NFA；（ii）具有不对称侧链的Y系列NFA；（iii）具有不对称末端基的Y系列NFA。分子的对称性将直接影响分子的堆积和光电性质，不对称分子通常表现出更大的偶极矩和更强的分子间相互作用，这可能导致更有效的分子间堆积。然而，目前仍然缺乏关于不对称分子在分子构象、能量学和光电性质方面所带来影响的基本理解，明确相互之间的联系，对于促进下一代高性能OPV的发展是非常必要的。

图1.分子结构与基本性质

2.文献简介

为此，近日，浙江大学陈红征教授、左立见研究员、朱海明研究员，以及美国亚利桑那大学Veaceslav Coropceanu研究员团队展开合作，从固态分子堆积的观察、分子间相互作用的理论计算、电荷动力学行为等多个角度深入研究了带有卤代吲哚酮和卤代氰基吲哚酮末端基的不对称NFA对器件性能的影响。研究人员设计和合成了一种不对称型NFA：BO-5Cl，其两边具有不同的接受电子端基。同时，为了更好地进行比较，研究人员也合成了另一种不对称型NFA：BO-6Cl，以及两种对称型NFA：BO-4F和BO-4Cl。结果显示，基于BO-5Cl的OPV器件具有低非辐射电压损耗和高电荷产生效率，这主要归因于给受体界面中分子构象的多样性，从而形成了界面电子态的双重性质。

图2.瞬态吸收光谱揭示的激发态动力学

当与明星给体PM6匹配时，基于BO-5Cl的体异质结（BHJ）活性层显示出0.1%的高电致发光外量子效率，同时光伏外量子效率接近80%，得益于非辐射电荷复合和电荷产生之间取得的平衡。由于添加不对称分子作为第三组分将产生与二元共混物相似的效果，即给受体界面构象比对称构象更多样化。研究人员进一步将BO-5Cl分子作为第三组分引入到PM6:BO-4Cl的二元器件之中，最终三元器件获得了高达18.56%的PCE（认证PCE为18.2%），是目前最高认证PCE之一。这些结果说明，使用不对称受体实现可以实现高性能三元混合OPV器件的高发光和更快电荷转移。

图3.器件的光伏性能

3.文献总结

综上，该工作通过实验和理论研究揭示，由不对称受体形成的更多样化的给受体界面构象会诱导优化的混合界面能量学，这有助于通过平衡电荷产生和复合来改善OPV器件的性能。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Nature Communications》上，题为“Asymmetric electron acceptor enables highly luminescent organic solar cells with certified efficiency over 18%”。

本文关键词：有机光伏器件，不对称受体，三元器件，激子解离，电荷平衡。

4.材料推荐