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Advanced Materials:不对称的偶极小分子受体帮助提高非富勒烯太阳能电池的填充因子

        和传统的富勒烯小分子受体(PC61BM和PC71BM)相比,新型的A-D-A型非富勒烯小分子受体(例如ITIC和IT-4F)具有吸收宽,能级可调,结晶性能适中和结构易修饰等特点,对于实现低成本高效率的有机太阳能电池来说有着十分重要的意义。

        在有机太阳能电池的研究中,在给体或者受体材料中引入强给体和强受体可以拓宽吸收光谱从而提高短路电流(JSC),引入弱给体和弱受体可以降低给体的HOMO能级或者提高受体的LUMO能级从而提高开路电压(VOC)。但是对于填充因子来说,还没有明确的构性关系,提高填充因子主要依赖于引入C-F…H, C-F…S 和C-S…O等非共价键作用力或者热退火和溶剂退火等加工方式来增强混合膜的π-π堆积。尽管超过1 V的高开路电压和22 mA/cm2的高短路电流在单节非富勒烯有机太阳能电池中已经实现,但是相对较低的填充因子严重限制了其效率的进一步提高。实现大于75%的FF仍然是一份具有挑战性的工作。

Advanced Materials:不对称的偶极小分子受体帮助提高非富勒烯太阳能电池的填充因子

        近日,武汉大学杨楚罗教授课题组报道了一种有效提高非富勒烯太阳能电池填充因子的方法:设计不对称的偶极非富勒烯小分子受体。一般认为对称性高的分子比不对称的分子具有更好的π-π堆积作用,在这篇报道中,作者反其道而行设计合成了不对称的梯形中心核来构建不对称的非富勒小分子受体(图1)。

        中心核对称性的打破再结合两个强吸电子的封端基团赋予了这类分子一个与分子长轴成约60度夹角的偶极矩。一方面,邻近分子的偶极-偶极相互作用会增强分子间的π-π堆积,另一方面,相互抵消的偶极矩会促使分子倾向于反平行排列,减小了侧链基团的位阻效应,从而增加了有效的堆积面积和强度。

Advanced Materials:不对称的偶极小分子受体帮助提高非富勒烯太阳能电池的填充因子

图1设计思路和分子优化

        为了进一步提高JSCVOC,作者优化了模型分子IDT6CN的侧链和封端,得到了两个更优的分子IDT6CN-Th和IDT6CN-M。这两个分子表现出很好的普适性和优异的性能,与PBDB-T和J71互混都能实现大于76%的填充因子和较高的光电转换效率(PCE)。另外IDT6CN-M与PCE10互混也能实现71%的填充因子。这些填充因子是最高值或者最高值之一。设计不对称的极性小分子受体可以显著提高基于非富勒烯小分子受体的有机太阳能电池的填充因子。

该文章发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201800052)上。

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