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李永舫課題組在有機小分子給體光伏材料的研究中取得新進展
2020-06-24 | 编辑:lry | 【 】【打印】【關閉

  有機太陽能電池在制備柔性、半透明以及室內光伏等方面具有突出優勢。相比于聚合物半導體光伏材料,有機小分子半導體光伏材料具有結構確定、易于純化等優點。然而,由于基于小分子給體和小分子受體的全小分子體系活性層形貌調控方面的困難,全小分子有機太陽能電池(SM-OSC)的光電轉換效率落後于聚合物太陽能電池(PSC)。因此,深入研究小分子結構與活性層形貌以及光伏性能之間的關系、對于實現高效的全小分子有機太陽能電池至關重要。 

  在國家自然科學基金委和中科院先導項目等的支持下,中國科學院化学研究所有機固體院重點實驗室李永舫课题组、2017年報道了以噻吩取代苯並二噻吩(BDTT)爲核的受體-給體-受體(A-D-A)型小分子給體材料SM1(分子結構見圖1),基于SM1为給體、IDIC爲受體的SM-OSC的能量轉換效率達到10.11%,爲當時非富勒烯SM-OSC的最高效率(Chem. Mater. 2017, 29, 7543. 第一作者爲博士生邱貝貝)。最近,他們在此基礎上又設計和合成了兩個SM1BDTT单元的噻吩共轭侧链上具有不同取代基的小分子給體材料SM1-SSM1-F,其中SM1-S是將SM1噻吩共轭側鏈上的烷基換成烷硫基、SM1-F是將SM1噻吩共轭側鏈上再增加一個氟原子取代(分子結構見1),并深入研究了噻吩共轭侧链上的取代基对小分子給體材料的电子能级、聚集形貌以及使用Y6爲受體的光伏性能的影响。他们发现,烷硫基取代和氟原子取代使小分子給體的HOMO能級進一步降低,從SM1-5.25 eV降低到SM1-S-5.32 eVSM1-F-5.37 eV。給體HOMO能级的降低有利于对应有机太阳能电池开路电压的提高。形貌研究结果表明,小分子給體和小分子受体的聚集行为明显不同;而且,小分子給體的不同侧链会显著影响其结晶性和聚集特性,从而影响共混薄膜活性層的形貌。基于氟取代的小分子給體SM1-FSM-OSC表現出最佳的光伏性能,使全小分子有機太陽能電池的效率達到14.07%(见圖1)。此外,瞬態熒光結果表明熱退火處理可以有效地提高SM1-F:Y6共混膜中空穴轉移的速度。飛秒瞬態吸收的結果表明,熱退火處理之後,SM1-F:Y6薄膜的空穴轉移數量提高到兩倍以上。這項研究工作不僅實現了高效的全小分子有機太陽能電池,而且還對側鏈工程和熱退火處理對納米尺度形貌、光物理性質以及光伏性能的影響提供了深入清晰的理解。這對進一步開發新型有機光伏材料和優化全小分子有機太陽能電池的光伏性能具有一定的指導意義。該成果發表在Adv. Mater. 2020, 32, 1908373 (論文的第一作者是博士生邱貝貝,通訊聯系人是孟磊研究員和李永舫研究員)  

 

圖1. 有机小分子給體光伏材料SM1,SM1-SSM1-F以及受體光伏材料Y6的分子結構、SM1-F:Y6活性層TEM形貌和光伏性能

    

 

  有機固體院重點實驗室 

  2020624 

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