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南理工/厦大唐卫华团队Small:新型非稠环电子受体,有机太阳能电池效率超12%

发表时间:2022-05-30 10:24作者:知研光电材料
导语:研究人员设计并合成了四种基于二噻吩环戊二烯(DTC)或二噻吩并吡咯(DTP)结构的简单非稠环电子受体,最高器件效率高达12.17%。南理工/厦大唐卫华团队Small:新型非稠环电子受体,有机太阳能电池效率超12%
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1.前言回顾
近年来,通过材料创新和器件优化的结合,单结有机太阳能电池(OSCs)的光电转换效率(PCE)已经超过19%。这一里程碑式的突破主要归功于稠环电子受体(FREAs)如Y6等的蓬勃发展,其特点是高度共轭的主体结构和平面度。然而,复杂的合成和繁琐的器件后处理严重阻碍了OSCs的商业化发展。因此,非稠环受体(UFAs)成为OSCs领域新兴的研究热点。与刚性FREAs相比,UFAs采用分子内非共价相互作用(O···S、O···H、S···N等),从而确保其共面主结构具有高载流子迁移率。目前,大多数高效OSCs取决于器件优化,包括添加剂的使用、热溶液或热旋涂以及热退火。然而,一些添加剂可能会造成环境污染,而热退火和热旋涂可能会增加能耗和工艺复杂性。因此,探索高性能UFAs对铸态OSCs的要求很高,对其结构设计非常值得探索。

图1.四种UFAs的分子结构


2.文献简介
基于上述的因素,近日,南京理工大学/厦门大学唐卫华教授研究团队报道了四种基于二噻吩环戊二烯(DTC)或二噻吩并吡咯(DTP)结构的简单UFAs:DDTC-4F、DTCBT8-4F、DDTP-4F、DTPBT8-4F,它们具有对称或不对称的结构,从而可以用于探索π桥单元和分子框架之间的协同效应,用于高效铸态OSCs。与非对称UFAs相比,对称UFAs表现出红移吸收和更窄的带隙。当与宽带隙聚合物给体PBDB-T共混时,基于DDTC-4F的共混膜形成更均匀的相分离形态和更大的相尺寸,并且具有清晰的网状结构,有利于实现高效的电荷传输。因此,基于PBDB-T:DDTC-4F的铸态器件开路电压(VOC)为0.88 V、短路电流密度(JSC)为21.76 mAcm-2,填充因子(FF)为63.57%,PCE高达12.17%。

图2.四种分子的构型


然而,基于非对称DTCBT8-4F的器件FF则低得多,仅为52.70%,因而PCE为9.81%。与采用DTC单元的UFAs相比,基于DTP结构的非对称DTPBT8-4F的器件最佳PCE为11.92%,而基于对称DDTP-4F的器件PCE仅为8.59%,这主要归因于其非常高的相容性和较差的相分离。据悉,12.17%和11.92%的PCE是基于UFAs的铸态OSCs器件的效率最高值。因此,这些结果也表明,DTC和DTP都可以作为π桥单元来构建最佳的分子框架,在设计高效的UFAs方面具有非常大的应用潜力。

3.器件的光伏性能比较


3.文献总结
综上,该工作不仅开发出高性能的基于UFAs的铸态OSCs器件,同时也从分子设计方面阐述了分子构象对于光电性能的影响。相关研究成果最新发表于国际著名期刊《Small》上,题为“Unfused Acceptors Matching π-Bridge Blocks with Proper Frameworks Enable Over 12% As-Cast Organic Solar Cells”。
本文关键词:有机太阳能电池,非稠环受体,分子构型,非对称。
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