基于新型给受体共轭分子的单组分有机太阳能电池

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有机太阳能电池由于其质轻、可溶液加工、机械性能优秀，被认为是柔性及轻便光伏电池的重要候选者之一。最近，基于给受体材料共混的体相异质结有机太阳能电池的效率已经突破了13%。新材料的开发与合成，通过研究器件构型，形貌调控以及界面工程，这些手段促使了有机太阳能电池光电转换效率的提升。此外，三元共混体系以及叠层电池也是提高电池效率的常用策略。但是，复杂的器件结构以及复杂的材料成分也逐渐开始产生负面影响。

体相异质结薄膜器件中两种组分可以形成纳米尺寸的区域，并形成互穿网络结构，这样有利于电荷传输与分离。但是，体相异质结的形貌很大程度上依赖于器件的制备条件，非常容易发生改变，形貌即使一开始被“冻住”，也会逐渐朝向热力学稳定的状态进行转换。其相分离的微调控非常困难，而且形貌缺陷会导致器件性能及稳定性的明显下降。另外一个解决策略是单分子给受体共轭分子——将给体受体通过共价键而集合到一个分子中。因为激子的产生与扩散发生于同一个分子，单成分的有机太阳能电池可确保非常有效的电荷分离。而且，不需要额外的后处理就可以抑制大相分离。然而，单分子有机太阳能电池的光电转换效率与外量子效率迄今为止都远远落后于体相异质结共混电池。因为设计单分子有机太阳能电池与开发理想的单分子光伏材料需要面临巨大挑战，单分子有机太阳能电池相对于多组分有机太阳能电池受到的关注偏少。

最近，韩国高丽大学的Han Young Woo博士、蔚山国立科学技术研究所（UNIST）的Jin Young Kim博士和美国北卡罗莱纳州立大学的Kenan Gundogdu博士等研究者在单分子有机太阳能电池领域做出了突破，他们设计了一种新型给受体共轭分子BDTRh-PCBM，包括共价连接的寡聚噻吩单元BDTRh和两个富勒烯单元PCBM（下图）。基于BDTRh-PCBM的单分子有机太阳能电池，光电转换效率与最大外量子效率分别达到了2.44%和46%，都是已知报道的最高值。

图1. BDTRh 与 BDTRh-PCBM的合成路。图片来源：Adv. Funct. Mater.

BDTRh是之前有过报道的小分子给体材料，作者通过将该给体材料与富勒烯衍生物PCBM通过共价键偶联在一起，构建了新型材料BDTRh-PCBM。作者比较了BDTRh与BDTRh-PCBM二者溶液及薄膜的吸收（图2b）。两个材料溶液中在300-600 nm范围内的吸收几乎类似，薄膜中在300-700 nm范围内吸收也非常类似。薄膜吸收中，BDTRh-PCBM的吸收比BDTRH蓝移，这可能是由于端基PCBM阻碍了中间的核BDTRh分子间的π-π堆积。BDTRh-PCBM的HOMO更深，而两者的LUMO相差较小。因此，BDTRh–PCBM的带隙比BDTRh的略大。

图2. a. 光伏材料 b. 溶液及薄膜吸收 c. 能级示意图。图片来源：Adv. Funct. Mater.

作者随后制备了正装器件结构的单分子太阳能电池器件。为了调节形貌，作者尝试了溶剂退火、热退火等等方法，但均没有效果。这可能要归因于给体与受体通过化学键相连，并不是单独分开的两相。如图3a所示是器件的电流-电压曲线，最高效率可以达到2.44%。图3b所示为器件的外量子效率曲线，起始位置与紫外吸收的位置相似，其最大值为46%，响应边为710 nm。从图3c与图3d的数据可以得出结论，单分子太阳能电池遇到明显的双分子与缺陷导致的电荷复合，这从短路电流与填充因子较低可以看出。

图3. BDTRh-PCBM单分子太阳能电池的：（a）电流-电压曲线、（b）外量子效率曲线、（c）不同光照强度下的短路电流、（d）不同光照强度下的开路电压。图片来源：Adv. Funct. Mater.

作者还将体相异质结的电池与单分子太阳能电池的器件稳定性进行了比较。两种器件在80 ℃加热的情况下测试其稳定性（图4），体相异质结电池的稳定性下降非常快，而单分子太阳能电池的器件却能基本保持稳定。这说明了单分子电池尽管在光电转换效率方便还有待提高，但是稳定性好是其重要的优势。

图4. 两种器件的稳定性比较（80 ℃下加热100小时）。图片来源：Adv. Funct. Mater.

——总结——

研究者设计合成了新型给受体共轭分子，用于单分子有机太阳能电池中，得到了2.44%的最高光电转换效率和46%的最大外量子效率。尽管效率还偏低，但与传统器件相比，稳定性的大幅度提高是其主要优势。未来或许可以通过对分子进行系统精妙的设计以优化薄膜形貌，从而提高器件性能。这一研究或许能为有机太阳能电池的应用提供新思路。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Single Component Organic Solar Cells Based on Oligothiophene-Fullerene Conjugate

Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702474

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