顏河&劉峰AEM:非富勒烯受體上不對稱烷氧基取代實現高性能OSC

2020-12-05 知研光電材料

近年來，高性能非富勒烯受體（NFA）的出現徹底改變了有機太陽能電池（OSC）領域的發展，這是因為NFA可以提供容易調節的化學結構和能級，從而實現高效率和高穩定性。目前，光電轉換效率（PCE）超過16%的幾種最先進的NFA大多數基於Y系列。其中最典型的Y系列NFA受體當屬Y6，它可以實現較小的電壓損失（0.5 V），同時保持出色的短路電流密度（Jsc）和填充係數（FF）。這種新型的NFA材料有可能將OSC效率提高到20%。因此，明確Y6的關鍵結構特徵以及其結構性能關係對於更好地利用Y6具有重要意義。目前的一些結果表明，Y6結構中吡咯分子的某些支鏈對於分子的溶解度以及最終器件性能有著很大的影響。而另一個影響的因素則是外部噻吩單元β位置上的烷基鏈，這一點尚未得到詳細研究。

近日，香港科技大學顏河團隊與上海交通大學劉峰團隊首次報導利用烷氧基側鏈取代了Y6中噻吩外單元β位的烷基鏈，設計併合成了兩種新型的NFA分子，命名為Y6-1O和Y6-2O。實驗結果顯示，雖然Y6-2O的LUMO水平最高，但由於其兩側都有一個烷氧基鏈，這就導致其在氯仿中的溶解度較差，相應材料形貌與器件性能也並不理想。然而，得益於不對稱烷氧基取代，Y6-1O在保持相當好的溶解性的同時又能獲得較高的LUMO水平，這有助於實現更高的Voc（0.89 V）、以及23.2 mA cm2的Jsc和78.3%的FF。所有這些參數的結合使得PM6:Y6-1O器件的PCE高達16.1%，（PM6:Y6-2O的PCE為6.6%）。研究人員進一步向二元共混物中添加PC71BM，可以獲得更高的Jsc和FF，PCE值為17.6%。

這種新型不對稱烷氧基取代策略利用了烷氧基的優點，避免了溶解度問題，可應用於其它NFA特別是Y系列分子，使其效率提高到一個新的水平。

相關研究成果發表在《Advanced Energy Materials》上，名為「Asymmetric Alkoxy and Alkyl Substitution on Nonfullerene Acceptors Enabling High-Performance Organic Solar Cells」。

DOI: 10.1002/aenm.202003141

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