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Advanced Materials:高性能稠环噻吩电子受体光伏材料

近年来,随着能源环境问题日益严峻,如何高效利用可再生的清洁能源如太阳能成为一项重要的研究课题。而有机太阳能电池由于其自身的优点,诸如成本低、质量轻、柔性、可溶液加工、可大面积制备等,获得了学术界和工业界的广泛关注。有机太阳能电池活性层由电子给体和电子受体组成。富勒烯及其衍生物一直占据着受体材料的主导地位。但其在可见光区吸收较弱,能级难以调控,导致光电转换效率难以实现进一步突破。因此,设计合成新型的非富勒烯受体材料显得尤为重要。

Advanced Materials:高性能稠环噻吩电子受体光伏材料

2015年,北京大学工学院占肖卫课题组提出了“稠环电子受体”新概念,设计合成了明星分子ITIC。然而,ITIC在近红外区吸收不强,吸收边不到800 nm;电子迁移率不高,只有10–4 cm2 V–1 s–1量级。最近他们把ITIC核中间的苯环用并二噻吩代替,从而设计合成了八并稠环噻吩核。与ITIC核相比,八并稠环噻吩核的电子离域更好,给电子能力更强,分子堆积更紧密。另一方面,他们引入氟代氰基茚酮端基,氟原子电负性强,且存在氢键等弱相互作用,因此一方面增强端基的拉电子能力和促进分子内电荷转移,从而拓宽吸收光谱;另一方面可增强分子间相互作用和分子堆积,从而提高电子迁移率。这样,北京大学工学院占肖卫课题组设计合成了一种基于八并稠环噻吩为核、氟代氰基茚酮为端基、强近红外吸收的稠环电子受体材料(FOIC)。其光学带隙为1.32 eV(吸收边942 nm),吸收峰处摩尔消光系数达2 ´ 105 M–1 cm–1,电子迁移率达1.2 × 10–3 cm2 V–1 s–1。与常用的窄带隙聚合物给体材料PTB7-Th共混制备的有机太阳能电池器件,不经过其他任何处理,短路电流密度达24.0 mA cm-2,光电转换效率达12.0%,是基于PTB7-Th单结两组分有机太阳能电池的最高效率之一。制备的半透明器件,可见光区平均透过率为37.4%,光电转换效率达10.3%,是半透明有机太阳能电池的最高效率。

相关工作发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201705969)上。



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