李永舫课题组在近红外吸收受体材料和有机叠层太阳电池研究中取得新进展

rongyi

开发近红外波段具有宽吸收且高外量子效率的超窄带隙光伏材料，对于实现高效的叠层有机太阳能电池（OSC）和钙钛矿/有机叠层太阳能电池至关重要。然而，超窄带隙有机半导体材料极大的受到非辐射性三线态激子的影响，进而造成严重的非辐射性能量损失。因此，开发具有低能量损失的超窄带隙有机受体光伏材料具有一定挑战。
　　在国家自然科学基金委和科技部重点研发计划的支持下，化学研究所有机固体院重点实验室李永舫课题组最近在近红外吸收的窄带隙受体光伏材料的研究中取得一系列重要进展。2017年，课题组在A-D-A类受体ITIC的中心稠环D-单元与末端A-单元之间再插入一个碳碳双键、拓宽了分子的吸收光谱（Chem. Mater. 2017, 29, 10130–10138）。随后，课题组又将这一策略拓展到A-DA’D-A类窄带隙小分子受体Y6中，通过在Y6的稠环中心核和端基之间插入双键，设计并合成了一个新型窄带隙受体BTPV-4F（Nat. Commun. 2021, 12, 178）。BTPV-4F的吸收较Y6进一步红移，其薄膜的吸收边红移至1050 nm，能带宽度降低到1.21 eV。
　　近期，该课题组通过在BTPSV-4F的中心稠环中用硒吩替代末端噻吩，开发了新的超窄带隙受体BTPSeV-4F（分子结构如图1(a)），用于构建高效的串联有机叠层太阳能电池。与BTPSV-4F相比，BTPSeV-4F薄膜的吸收显示出更进一步的红移，其吸收边缘超过1060 nm，对应的光学带隙低至1.17 eV。基于BTPSeV-4F为受体和PTB7-Th为聚合物供体的单结OSC能量转化效率达到14.2%，短路电流密度达到创纪录的30.1 mA cm-2，这是迄今为止基于光学带隙低于1.2 eV的近红外受体的最高性能的OSC。更重要的是，基于PTB7-Th:BTPSeV-4F的器件显示了0.55 eV的低能量损失，是已报导的超窄带隙有机光伏器件的最低值（如图2(b)）。较低的能量损失可以归因于PTB7-Th:BTPSeV-4F混合体中三重激子形成很大程度上被抑制以及低的能量无序度。

图1. (a) 不同带隙受体材料的分子结构(箭头指向是其薄膜吸收边的波长位置)，各受体分子(b)侧链简化结构的静电势分布、(c) 薄膜的吸收光谱和(d) 电子能级图。

图2. 叠层有机太阳能电池的(a)器件结构示意图、(b) 该成果与文献报道的前后结子电池活性层光学带隙与子电池开路电压的关系、(c) J-V曲线和(d) EQE图谱。
　　该课题组进一步地将BTPSeV-4F用作后结子电池的受体制备了串联型叠层有机太阳能电池（器件结构见图2(a)）。为了更好地与超窄带隙受体BTPSeV-4F带隙匹配，他们设计和合成了一个具有中等带隙的A-DA′D-A受体O1-Br（分子结构如图1(a)）作为前结子电池的受体，通过带隙工程使其达到1.58 eV较理想的光学带隙。与Y6相比，O1-Br显示出超过100纳米的吸收光谱蓝移。以BTPSeV-4F和O1-Br分别作为后结子电池和前结子电池的受体材料，得到的有机叠层太阳能电池能量转化效率达到了19.0%。
　　相关成果近期发表在Nat. Commun., 2023, 14, 1236，文章的第一作者为博士生贾镇榕，通讯作者为孟磊研究员、Harald Ade教授（美国北卡州立大学）、Feng Gao教授（瑞典林雪平大学）和李永舫研究员。
      
文章来源：化学所
        李永舫，中国科学院化学研究所研究员、苏州大学材料与化学化工学部教授，2013年当选中科院院士。1986年在复旦大学获博士学位。主要研究领域是有机/聚合物太阳能电池光伏材料和器件以及钙钛矿太阳能电池。已发表研究论文600多篇，学术会议邀请报告120多次。发表论文已被他引35000余次，h-因子93。1998年获人事部授予中青年有突出贡献专家称号，1995年获国家自然科学奖二等奖（第二完成人）、2005年获北京市科学技术奖一等奖（第一完成人）、2012年获美国化学会授予高分子学术报告奖。入选科睿唯安(Clarivate Analytics)公司发布的2014材料科学领域以及2015至2018化学和材料科学两个领域Highly cited researchers名单。
        孟磊，男，1989年6月生于甘肃兰州，博士，中国科学院化学研究所有机固体重点实验室项目研究员