有機太陽電池由p-型有機半導體給體和n-型有機半導體 (n-OS) 受體共混活性層夾在透明導電電極和金屬電極之間所組成, 具有結構簡單, 重量輕, 成本低以及可採用溶液加工方法製備成柔性和半透明器件等優點, 成為了近年來新能源研究領域的研究熱點. 其中p-OS給體光伏材料包括共軛聚合物和有機小分子兩類材料. 與聚合物相比, 小分子材料具有確定的分子結構, 無合成批次差別, 易提純等優點, 因此有機小分子給體光伏材料也引起了人們的廣泛關注. 全小分子非富勒烯有機太陽能電池使用p-OS小分子給體和n-OS小分子受體, 同時具有小分子給體材料和非富勒烯小分子受體材料的優點, 最近成為有機太陽能電池領域的一個重要研究方向.
在中國科學院先導項目的支援下, 中科院化學研究所有機固體重點實驗室李永舫課題組研究人員最近在p-OS小分子給體材料和全小分子非富勒烯有機太陽電池的研究中取得系列研究進展, 使全小分子有機太陽電池的能量轉換效率突破了10%.
p-OS小分子給體材料多採用A-π-D-π-A型 (其中D代表給體結構單元, A代表受體結構單元) 線性分子結構. 他們首先在其開發的用於非富勒烯聚合物太陽電池的J-系列高效聚合物給體光伏材料的基礎上, 將J-系列聚合物小分子化, 合成了基於苯並二噻吩 (BDT) 為給體單元, 氟取代三氮唑 (FBTA) 為受體單元, 乙腈酯基為末端受體單元的p-OS小分子H11和H12 (分子結構見圖1) . 以H11為給體, n-OS小分子IDIC為受體的全小分子有機太陽電池開路電壓 (Voc) 達到0.977V, 能量轉換效率 (下面簡稱效率) 達到9.73% (J.Am.Chem.Soc.2017,139,5085-5094.) .
n-OS小分子受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點, 因而優化p-OS的分子結構來調節全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網路結構, 是提高全小分子有機太陽電池光伏性能的重要手段. 他們以BDT為中心給體單元, 將寡聚噻吩結構引入p-OS分子結構中, 合成了兩個p-OS分子SM1和SM2 (分子結構見圖1) . 基於SM1:IDIC的全小分子有機太陽電池的效率達到10.11% (Chem Mater. 2017,29,7543–7553.) , 這是全小分子非富勒烯有機太陽電池效率首次突破10%.
在基於噻吩取代BDT的二維共軛聚合物中, 矽烷基側鏈可以有效地降低聚合物的HOMO能級, 增強吸收和提高空穴遷移率. 為了進一步提升全小分子有機太陽電池的光伏性能, 他們最近又將矽烷基噻吩為側鏈的二維BDT單元引入到p-OS小分子給體材料中, 合成了兩個新的p-OS小分子給體光伏材料H21和H22 (分子結構見圖1) , 並研究了不同末端受體單元對材料物理化學性質及其光伏性能的影響. 基於H22: IDIC的全小分子有機太陽電池的光電轉換效率進一步提升到10.29%. 這一結果最近發表在《先進材料》 (Adv.Mater.,2018,30, 1706361.) 上.
圖: p-OS小分子給體和n-OS小分子受體IDIC的分子結構, 全小分子有機太陽電池的器件結構以及基於各給體材料全小分子有機太陽電池的能量轉換效率
