王凯&胡汉林Small：端基优化的小分子给体用于制备高效三元有机太阳能电池

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前言回顾

体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSCs）作为最有前景的光电转换技术之一，通过溶液处理化可以制备出重量轻、柔性大面积器件，具有广泛的商业应用。三元OSCs可以结合串联太阳能电池的优点，实现增强的光子捕获，同时保留单结器件的简单化处理。合适的第三组分不仅可以拓宽光吸收，还可以促进电荷转移和/或减少载流子复合以增强短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）。此外，第三组分还可以增强发光性能并抑制能量损失，促使开路电压（VOC）增加。更重要的是，合适的第三组分可以提高器件的稳定性，有利于早日实现商业化应用。

值得一提的是，三元OSCs中的大多数第三组分属于富勒烯和非富勒烯受体。最近，将小分子（SM）给体作为第三组分受到了广泛的关注，因为它们具有明确的分子结构、简单的合成路线和纯化过程。此外，SM给体通常具有较强的结晶度，这可能更适合优化三元共混膜的形态。然而，目前对于SM给体作为第三组分材料的开发仍然较少，这是因为能够同时满足能级和吸收的SM给体具有非常大的挑战性。

图1.分子结构、光谱性质、能级排列

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文献简介

有鉴于此，近日西北工业大学王凯教授、深圳职业技术学院胡汉林教授研究团队开发了两种新型SM给体BT-CN和BT-ER，二者具有相同的BDTT-SiCl中间核以及二辛基三噻吩π桥，唯一区别在于端基分别是氰基辛基酯和酯化若丹宁。研究人员将这两种SM给体作为第三组分制备三元OSCs，并研究了端基对器件最终性能的影响。研究发现，两种SM给体均表现出与PM6:Y6共混物的互补吸收和良好的混溶性。此外，这两种分子的能级与PM6的能级平行，因而三元器件的形态显示出改进的结晶度、更有利的填充面和良好的混合相。器件表征表明，引入SM给体作为客体成分增强了电荷传输和收集能力，同时抑制了载流子复合过程。

图2.器件光伏性能比较

结果表明，所开发的三元器件与基于PM6:Y6二元器件相比，VOC、JSC和FF得到了协同增加，掺有20 wt.% BT-CN/BT-ER的三元OSCs分别实现了16.8%/17.22%的PCE。此外，当用L8-BO代替Y6时，基于两个SM给体的三元器件都可以达到超过18%的高PCE。其中，含15wt.% BT-ER的三元器件获得了18.11%的最佳PCE，同时VOC为0.908 V，JSC为26.72 mA cm-2，FF为74.67%，这些结果表明这两种SM给体普遍适用于高效PM6体系三元OSCs之中，具有广泛的应用前景。

图3.不同共混物的形貌表征

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文献总结

综上，该工作开发出两种高性能的SM给体并将其应用于制备高效三元OSCs，也进一步探究了端基对于材料性能的影响。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Small》上，题为“End-Group Engineering of Chlorine-Trialkylsiylthienyl Chain-Substituted Small-Molecule Donors for High-Efficiency Ternary Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，小分子给体，结构设计，端基优化，形貌调节。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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