有机太阳电池由p-型有机半导体给体和n-型有机半导体 (n-OS) 受体共混活性层夹在透明导电电极和金属电极之间所组成, 具有结构简单, 重量轻, 成本低以及可采用溶液加工方法制备成柔性和半透明器件等优点, 成为了近年来新能源研究领域的研究热点. 其中p-OS给体光伏材料包括共轭聚合物和有机小分子两类材料. 与聚合物相比, 小分子材料具有确定的分子结构, 无合成批次差别, 易提纯等优点, 因此有机小分子给体光伏材料也引起了人们的广泛关注. 全小分子非富勒烯有机太阳能电池使用p-OS小分子给体和n-OS小分子受体, 同时具有小分子给体材料和非富勒烯小分子受体材料的优点, 最近成为有机太阳能电池领域的一个重要研究方向.
在中国科学院先导项目的支持下, 中科院化学研究所有机固体重点实验室李永舫课题组研究人员最近在p-OS小分子给体材料和全小分子非富勒烯有机太阳电池的研究中取得系列研究进展, 使全小分子有机太阳电池的能量转换效率突破了10%.
p-OS小分子给体材料多采用A-π-D-π-A型 (其中D代表给体结构单元, A代表受体结构单元) 线性分子结构. 他们首先在其开发的用于非富勒烯聚合物太阳电池的J-系列高效聚合物给体光伏材料的基础上, 将J-系列聚合物小分子化, 合成了基于苯并二噻吩 (BDT) 为给体单元, 氟取代三氮唑 (FBTA) 为受体单元, 乙腈酯基为末端受体单元的p-OS小分子H11和H12 (分子结构见图1) . 以H11为给体, n-OS小分子IDIC为受体的全小分子有机太阳电池开路电压 (Voc) 达到0.977V, 能量转换效率 (下面简称效率) 达到9.73% (J.Am.Chem.Soc.2017,139,5085-5094.) .
n-OS小分子受体材料具有各向异性的共轭骨架的特点, 因而优化p-OS的分子结构来调节全小分子活性层的形貌以形成良好的给体-受体纳米尺度相分离的互穿网络结构, 是提高全小分子有机太阳电池光伏性能的重要手段. 他们以BDT为中心给体单元, 将寡聚噻吩结构引入p-OS分子结构中, 合成了两个p-OS分子SM1和SM2 (分子结构见图1) . 基于SM1:IDIC的全小分子有机太阳电池的效率达到10.11% (Chem Mater. 2017,29,7543–7553.) , 这是全小分子非富勒烯有机太阳电池效率首次突破10%.
在基于噻吩取代BDT的二维共轭聚合物中, 硅烷基侧链可以有效地降低聚合物的HOMO能级, 增强吸收和提高空穴迁移率. 为了进一步提升全小分子有机太阳电池的光伏性能, 他们最近又将硅烷基噻吩为侧链的二维BDT单元引入到p-OS小分子给体材料中, 合成了两个新的p-OS小分子给体光伏材料H21和H22 (分子结构见图1) , 并研究了不同末端受体单元对材料物理化学性质及其光伏性能的影响. 基于H22: IDIC的全小分子有机太阳电池的光电转换效率进一步提升到10.29%. 这一结果最近发表在《先进材料》 (Adv.Mater.,2018,30, 1706361.) 上.
图: p-OS小分子给体和n-OS小分子受体IDIC的分子结构, 全小分子有机太阳电池的器件结构以及基于各给体材料全小分子有机太阳电池的能量转换效率
