莊林

武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢 430072

電子受體分子結(jié)構(gòu)及太陽(yáng)能電池電流密度-電壓(J-V)曲線

聚合物太陽(yáng)能電池(PSC)具有質(zhì)輕，成本低，可通過(guò)溶液加工的方法大面積制備柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注1-3。目前，體異質(zhì)結(jié)(BHJ)結(jié)構(gòu)的PSC主要采用共軛高分子給體材料和受體材料共混制備光電活性層。2015年，占肖衛(wèi)課題組首先報(bào)道了一類非富勒烯的高效率的稠環(huán)電子受體(FREAs)4,5。這類受體具有化學(xué)結(jié)構(gòu)易修飾，能級(jí)易調(diào)控以及跟給體聚合物吸收互補(bǔ)等顯著優(yōu)點(diǎn)，受到研究者們的青睞。近3年來(lái)，基于FREAs構(gòu)建的電池的效率不斷被刷新，目前已經(jīng)超過(guò)14%6,7。

FREAs通常采用受體-給體-受體(A-D-A)型結(jié)構(gòu)，受體材料的分子能級(jí)和吸收光譜主要通過(guò)對(duì)給體單元，受體單元以及給受體單元二者之間的聯(lián)結(jié)方式的有效調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)。

北京師范大學(xué)薄志山、李翠紅等人，在前期工作中，提出通過(guò)分子內(nèi)的非共價(jià)作用設(shè)計(jì)受體材料可以簡(jiǎn)單有效地?cái)U(kuò)大受體分子的共軛長(zhǎng)度，拓寬吸收光譜，增強(qiáng)電子傳輸，從而極大地提高了器件的光伏性能8。運(yùn)用這種策略，他們合成了一種新的A-D-A型受體材料(ITOIC-2Cl)，在給體單元和受體單元間引入3,4-二己氧基噻吩作橋。受體分子在溶液中具有較大的溶解度，而在薄膜中可以通過(guò) S···O 和 O···H 等弱相互作用在分子內(nèi)形成非共價(jià)鍵構(gòu)象鎖促進(jìn)分子的平面性。此外，他們?cè)诙嘶闲揎棾杀镜偷腃l原子，通過(guò)增加端基的缺電子性增強(qiáng)分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移9。在兩者的協(xié)同作用下，ITOIC-2Cl的光譜吸收拓寬到近紅外區(qū)，有利于獲得寬的光譜響應(yīng)。基于該受體材料的PSC，實(shí)現(xiàn)了9.37%的光電轉(zhuǎn)換效率，其開(kāi)路電壓(Voc)為 0.886 V，短路電流(Jsc)為 17.09 mA·cm-2，填充因子(FF)為 61.8%。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201805161)10，該工作為我們提供了一種設(shè)計(jì)高效率的非富勒烯稠環(huán)電子受體的簡(jiǎn)單有效的策略。