實驗結合計算探討非富勒烯受體Y6在OSCs中的結構與性能的關係

2020-08-28 知研光電材料

有機太陽能電池(OSC)研究的一個主要挑戰是如何在有效電荷產生的情況小使電壓損失最小化。 2019年初報導了一種非富勒烯受體(命名為Y6)，它可以同時實現OSC的高外部量子效率和低電壓損耗。 在這裡，我們使用實驗和理論建模相結合的方法來揭示這種最先進的OSC體系的結構-特徵屬性-性能關係。

該工作發表在自然通訊雜誌上，實驗工作由華南理工大學曹庸院士、葉軒立教授團隊完成，美國喬治亞理工學院著名計算材料化學家Jean-Luc Bredas提供了理論建模分析，通過實驗和理論建模分析結合的系統研究，以建立基於非富勒烯受體Y6在OSCs中的結構-特徵屬性-性能關係。

他們發現Y6分子的幾何彎曲形狀導致了獨特的π-π分子堆積，這是在單晶中發現的，並通過GIWAXS測量和MD計算證明可以保留在旋塗膜中。 這種分子堆積使電子波函數顯著地三維離域化，並形成有效的電子和空穴傳輸通道，使Y6成為具有平衡的空穴和電子傳輸特性的雙極性分子材料。 當它與給體聚合物（PBDB-T-2F）以較小的HOMO能量偏移量混合時，這種特性可以促進有效的空穴傳輸和電荷收集。更重要的是，這種不尋常的分子堆積在實現低電壓損耗（主要歸因於低ΔVOC，nr）和高電荷產生效率（包括Y6分子）方面發揮了重要作用。

首先，在提供長激子壽命的過程中，離域激子的形成和較低的非輻射衰減率實現了較高的PLQE。 結合二元共混物中激子和電荷傳輸狀態之間的小能量差，對於這種低帶隙系統，實現了相對較低的非輻射電壓損耗。

其次，電子波函數在給體/受體界面處的離域顯著降低了空穴和電子對的庫侖引力，從而降低了電荷傳輸 態的解離勢壘。 通過整合三元混合策略來改善電荷傳輸而又不影響Y6分子堆積，在保持低電壓損耗和有效電荷產生的同時，FF得以提高，PCE達到了16.5％。

他們的工作突出了這種最新的OSC體系的基本結構-特徵屬性-性能之間的關係，從而為合理的材料設計和商用OSC器件的發展開闢了道路。

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