王凯&李刚&胡汉林JMCA：新型小分子给体可作为高效有机太阳能电池的第三组分

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前言回顾

体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSCs）因其具有机械柔性、可溶液化处理、重量轻和半透明等优点而备受关注。近年来，随着非富勒烯受体的迅速发展，OSCs取得了重大突破，基于Y6及其衍生物受体的单结二元OSCs获得了超过17%的高PCE。为了进一步提高器件效率，人们探索出三元OSCs，其活性层由两个给体和一个受体组成，或者由一个给体和两个受体组成。与二元OSCs相比，三元OSCs具有以下几个优点：i）合适的第三组分可以与二元主体形成级联能级，从而促进电荷转移并提高器件开路电压（VOC）。ii）第三组分可以扩大吸收并增加短路电流密度（JSC）。iii）可以调整活性层的形态和结晶度，以增加激子解离和电荷转移能力。由于这些优点，目前已经开发了多种类型三元OSCs，取得了很大进展。

PM6:Y6体系常被用作高性能三元OSCs的主体系，然而，迄今为止，利用小分子给体作为第三组分来构建基于PM6:Y6的高效三元OSCs的报道相对较少。关键挑战之一是平衡给体的吸收和能级水平之间的矛盾。与聚合物相比，小分子给体具有纯化方法简单、化学结构明确、批量变化小等优势，在构建三元OSCs方面具有广阔的应用前景。因此，探索新型适用于高效三元OSCs的小分子给体是非常有必要的。

图1.分子结构与基本性质

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文献简介

在BDT单元中利用苯基取代噻吩侧基作为一种有效的策略，可以调整分子取向并提高器件性能。有鉴于此，近日，西北工业大学王凯教授、香港理工大学李刚教授、深圳职业技术学院胡汉林教授设计并合成了一种新型小分子给体：BTC，其以间烷基硫代苯基取代的BDT单元为核心，辛基取代的噻吩为π共轭桥，辛基-2-氰基丙烯酸辛酯为端基。研究表明，BTC与PM6:Y6二元体系表现出互补吸收，从而增强了光收集。同时，BTC和PM6之间存在良好的相容性和共混相。因此，三元OSCs中更好的形态和结晶度促使电荷传输得到增强和平衡，并且降低了电荷复合。

图2.器件结构与器件性能

研究结果显示，与基于PM6:Y6的二元器件相比，当添加含量15 wt%的BTC作为第三组分时，三元OSCs器件获得了17.32%的PCE，同时VOC（0.834 V）、JSC（28.00 mA cm-2）和FF（73.51%）也得到了改善。此外，为了测试BTC的通用性，研究人员还探究了基于PM6:L8-BO体系的三元OSCs。当加入BTC之后，PCE从17.62%提高到18.41%，是具有小分子给体的三元OSCs器件中PCE最高值之一。

图3.空穴与电子迁移率、不同器件的光伏参数

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文献总结

综上，这项工作表明，引入烷基硫代苯基侧链是开发高效小分子给体的有效策略，可以微调高性能三元OSCs的吸收光谱、分子堆积和能级。相关研究成果最新发表于国际著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，题为“A meta-alkylthio-phenyl Chain Substituted Small Molecule Donor as the Third Component for High-Efficiency Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，小分子给体，三元器件，分子设计。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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