基于醌式效应的近红外非富勒烯受体材料

相对于有机太阳能电池电子给体材料,电子受体材料的发展滞后,尤其在非富勒烯受体(NFA)材料的设计与开发。高性能的NFA材料的严重缺乏是制约有机高分子太阳能电池领域发展的关键因素。NFA分子具有较强的光吸收,分子能级可调性强,可有效的提高器件的电流与电压。此外,NFA分子的晶体结构、结晶顺序、相分离等造就了NFA基体相异质结形貌的复杂性。这些结构与形貌的变化势必会影响电荷的产生、传输以及最终的光电转换效率。

NITIAQxATT-9是最新开发的醌式非富勒烯受体材料;该类材料可被用于构筑高效的有机光伏器件,提高器件的重要性能。

ATT-9

用于加工高性能多功能半透明光伏器件(ST-OPV)或叠层器件。

  • 具有ST-OPV的最佳带隙(请见图1);
  • 通过醌式共振效应有效拓展光谱吸收,首次突破记录实现了30 mA cm−2的短路电流密度和13.40%的功率转换效率(基于非富勒烯受体的带隙小于1.2eV的设备中的最高值)(请见图2);
  • 在不进行光学调制的情况下,光利用率高达3.33%。[1]
图1:b) 不同产品的薄膜紫外-可见-近红外吸收光谱。c) PTB7 Th、Y6和ATT-9的能级图。[1]
图2:c) Jsc与OPV装置的λonset统计(PTB7 Th:ATT-9用红星标记)。d) λonset值超过1000 nm的OPV器件的PCE统计。[1]
AQx

AQx通过醌式共振效应有效地降低重组能,实现低的能量损失。

开路电压(Voc)和短路电流密度(Jsc)之间的权衡已成为当前有机光伏研究的核心,实现能保证有效电荷产生的最小能量偏移是高性能系统的迫切要求。

使用大带隙聚合物供体PM6和包含两个结构相似的非富勒烯受体(Y6和AQx)的小带隙合金受体的三元太阳能电池,功率转换效率超过18%;该系统能充分利用太阳辐射,形成良好的形貌。通过改变两个受体的比率,可以实现对合金接受体能级的精细调节,从而影响器件中的电荷动力学。与基于PM6:AQx的系统相比,最佳三元器件的空穴转移和激子分离效率更高,并且与基于PM6:Y6的系统相比,能量损失更低。[2]

NITI

NITI可用于构建多级次三元活性层形貌。

与轴对称的碳桥联联苯12π-电子芴相比,NITI利用中心对称碳桥联E-二苯乙烯(茚并茚:14π电子和两个sp3碳桥大π共轭)为主核,这可增加电子结构和膜形态的可调性。尽管NITI具有扭曲的分子结构,但它在薄膜中显示出1.49eV的低光学带隙和在溶液中1.90×105m−1cm−1的高摩尔消光系数。通过与NITI与宽带隙聚合物给体匹配,获得了12.74%的超高功率转换效率,这是非富勒烯有机光伏电池的最佳性能之一[3];NITI可与富勒烯受体匹配用于构筑三元多级次形貌,实现光电过程的精细分工和效率的大幅提升(>50%)。[4]

参考文献
  1. Wuyue Liu, Shaoming Sun, Shengjie Xu, Hao Zhang, Yingqi Zheng, Zhixiang Wei, Xiaozhang Zhu, Adv. Mater., 2022, 34, 2200337.
  2. Feng Liu, Liang Zhou, Wenrui Liu, Zichun Zhou, Qihui Yue, Wenyu Zheng, Ri Sun, Wuyue Liu, Shengjie Xu, Haijun Fan, Liheng Feng, Yuanping Yi, Wenkai Zhang, Xiaozhang Zhu, Adv. Mater., 2021, 33, 2100830.
  3. Shengjie Xu, Zichun Zhou, Wuyue Liu, Zhongbo Zhang, Feng Liu, Hongping Yan, Xiaozhang Zhu, Adv. Mater., 2017, 29, 1704510.
  4. Zichun Zhou, Shengjie Xu, Jingnan Song, Yingzhi Jin, Qihui Yue, Yuhao Qian, Feng Liu, Fengling Zhang, Xiaozhang Zhu, Nat. Energy 2018, 3, 952.
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