莊林

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

第三組分分子結(jié)構(gòu)及太陽能電池電流密度-電壓(J-V)曲線

有機(jī)聚合物太陽能電池具有成本低、重量輕、半透明、制作工藝簡單、可制備大面積柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)，成為近年來的研究熱點(diǎn)之一1。有機(jī)太陽能電池活性層由電子給體和電子受體組成，通常采用本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)2。富勒烯電子受體及其衍生物如[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)和[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)具有電子遷移率高、電子親和勢較高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。然而，富勒烯電子受體具有可見區(qū)及近紅外區(qū)吸收弱、能級(jí)難以調(diào)控、化學(xué)制備困難、光熱穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)，限制了器件光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高，形貌穩(wěn)定性較差，影響器件穩(wěn)定性。近3年來，非富勒烯電子受體發(fā)展迅速，其單結(jié)有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率由6%發(fā)展到14%3,4。與富勒烯受體相比，非富勒烯受體具有分子能級(jí)可調(diào)、可見及近紅外區(qū)吸收強(qiáng)、合成較容易等優(yōu)點(diǎn)，特別是以明星分子七并稠環(huán)-腈基茚酮類化合物(ITIC)5為代表的稠環(huán)電子受體受到廣泛關(guān)注6。

除發(fā)展新型材料以外，通過選用合適的第三組分構(gòu)筑三元共混有機(jī)太陽能電池可以進(jìn)一步提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。第三組分可提高光譜吸收互補(bǔ)性從而提高電池的短路電流，同時(shí)提高激子解離能力、電荷傳輸能力及改善活性層形貌(如結(jié)晶度、分子取向、相區(qū)尺寸及相純度等)，從而提高器件的開路電壓及填充因子7?；诟焕障┦荏w的三元共混有機(jī)太陽能電池效率高達(dá)14%8，然而，全非富勒烯電子受體三元共混器件的研究依然不多，其光電轉(zhuǎn)換效率有待提高，器件機(jī)理仍需深入研究。北京大學(xué)占肖衛(wèi)、韓平疇等人制備了基于稠環(huán)電子受體的三元共混太陽能電池，并進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

該工作已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201804231)9。該文章主要討論了兩種端基不同的第三組分在三元共混有機(jī)太陽能電池中的作用。文章利用寬帶隙聚合物苯并二噻吩-二氟苯并氮三唑共聚物(FTAZ)作為給體，窄帶隙稠環(huán)電子受體六噻吩稠環(huán)-氟代腈基茚酮類化合物(FOIC)作為受體，中帶隙稠環(huán)電子受體五并稠環(huán)-腈基茚酮類化合物(IDT-IC)和五并稠環(huán)-腈基苯并茚酮類化合物(IDT-NC)分別作為第三組分，制備了兩種三元有機(jī)太陽能電池。基于FTAZ:FOIC:IDT-IC的三元共混體系，相比于二元體系FTAZ:FOIC，開路電壓，短路電流和填充因子同時(shí)提高，器件效率達(dá) 11.2%。對(duì)于FTAZ:FOIC:IDT-NC體系，由于IDT-NC和FOIC的LUMO能級(jí)相近，吸收光譜高度重疊，導(dǎo)致開路電壓增加很小，短路電流降低，僅實(shí)現(xiàn)10.4%的光電轉(zhuǎn)換效率。該工作對(duì)于基于稠環(huán)電子受體的三元共混有機(jī)太陽能電池研究具有重要的啟發(fā)意義。