有机太阳能电池(OPV)作为一种清洁无污染的新型光伏技术，具有成本低、质量轻，柔性和可溶液法加工等优势，受到了科研界和工业界的广泛关注。近年来，随着非富勒烯受体分子的快速发展，有机太阳能电池的光电转换效率不断取得突破，目前最高效率已超过18%。但是随着效率的提高，OPV中的非富勒烯受体分子越来越复杂，合成路线长，成本高，如何简化分子结构，制备低成本、高效率的非富勒烯受体分子成为OPV领域研究的重点。最有效的方法是通过设计具有分子内非共价键作用力，合成通过碳-碳键连接的非稠环结构的受体，可以减少合成路线，降低成本，并获得较高的光伏效率。近日，电子系Aung Ko Ko Kyaw教授在低成本、高效率和低电压损失的非稠环受体有机太阳能电池领域取得新进展。
课题组以“High-performance and low-energy loss organic solar cells with non-fused ring acceptor by alkyl chain engineering”为题目在《Chemical Engineering Journal》（IF = 10.652）上报道了一种具有低成本、高效率和低电压损失的非稠环受体分子并应用于有机太阳能电池中。在该工作中，设计合成了具有非稠环结构的受体分子，并且通过改变烷基链有效地调控了分子的光学带隙、能级以及分子堆积等。
图1. (a)有机太阳能电池结构图及合成的受体分子。(b)聚合物给体和受体分子的薄膜吸收图。(c)受体分子的循环伏安曲线图。(d)聚合物给体和受体分子的化学能级图
研究发现引入具有吸电子单元的5,7-双(2- 乙基己基)-4氢,8氢-苯并[1,2-c:4,5-c′]二噻吩-4,8-二酮为核，可以明显的降低材料的HOMO能级，并且分子内存在的S…O非共价键可保持分子平面性的同时，还可以增加分子间作用力。当将非稠环受体分子BDC-4F-C8与PM6混合后，制备的器件效率达到了12.53%，其中开路电压为0.895 V，器件的电压损失为0.51 eV，这是目前非稠环体系中光伏效率超过12%以上，电压损失的最小值。
图2. (a) 有机太阳能电池的J-V特性曲线。(b)器件的外量子效率曲线图。(c) 非稠环受体分子的电压损失与光伏效率对比图
该工作为合理设计窄带隙、低成本、高效率和低电压损失的非稠环受体提供了指导思路。
本文第一作者是电子系博士后罗豆，文章的唯一通讯作者为南方科技大学Aung Ko Ko Kyaw副教授。
论文连接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472101353X
课题组在此研究基础上，以“Electron-Deficient Diketone Unit Engineering for Non-fused Ring Acceptors Enabling Over 13% Efficiency in Organic Solar Cells”为题目在《Journal of Materials Chemistry A》（IF = 11.30）上报道了一种基于吸电子性质的二酮单元的非稠环小分子受体材料。
图1. 聚合物给体PM6和具有二酮单元的非稠环受体分子的结构图
通过引入具有吸电子的二酮单元TPD和BTI，可以使得受体分子的HOMO能级降低，可与PM6等高效聚合物给体的HOMO能级相匹配，有利于实现高效的空穴转移。另外，二酮单元与分子内的其它基团间可形成有效的S…O非共价键作用力，增加分子内作用力，促进电荷传输。当将这些受体与PM6共混，制备的有机太阳能电池器件效率: PM6:TPDC-4F为13.35%，电压Voc为0.852 V，而PM6:BTIC-4F效率为12.04%，Voc为0.894 V，其中前者为非稠环受体分子电压超过0.85 V中，器件效率最高之一。
图2. (a) 器件的J-V曲线图。(b)非稠环受体分子的电压和光伏效率图。(c) 器件的外量子效率曲线图
进一步研究表明，纯膜的TPDC-4F处于face-on堆积，有利于电荷的垂直传输，而BTIC-4F则为edge-on堆积。在混合薄膜中，两种混合薄膜都处于face-on堆积状态，这也是二者器件效率较高原因之一，特别是，相对于PM6:BTIC-4F薄膜，PM6:TPDC-4F混合薄膜表现出更多的face-on取向，且峰型衍射强度更高，进一步通过具体量化计算，PM6:TPDC-4F薄膜的晶体相干长度(CCL)更大，以上说明PM6:TPDC-4F薄膜堆积更紧密，电荷传输和激子解离更有效，所以器件效率更高。
图 3. (a)小分子受体材料纯膜和混合薄膜的2维GIWAXS衍射图。(b)GIWAXS图对应的面内和面外方向的曲线图
该工作说明了将吸电性单元的二酮单元引入到非稠环受体分子中制备高效率的有机光伏器件的重要性。
本文第一作者是电子系博士后罗豆，文章的唯一通讯作者为南方科技大学Aung Ko Ko Kyaw副教授。
论文连接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta03643b#!divAbstract
