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Chem. Eur. J. :三维非富勒烯受体材料用于有机太阳能电池


有机太阳能电池(OSC)具有成本低、重量轻、工艺温度低、柔性等优点,被认为是目前最有前途的第三代薄膜光伏技术之一。由于富勒烯衍生物光吸收较弱、结构功能化有限、容易过度聚集等问题,以富勒烯为受体材料的OSC发展遇到瓶颈。近年来,大量新型非富勒烯受体(NFA)的出现使得OSC的光电转化效率飞速提升。其中,苝二酰亚胺(PDI)具有强的光谱吸收、合适的电子能级、高的电子迁移率、优异的稳定性和较低的合成成本等优点,成为最具吸引力的有机小分子受体材料之一。但PDI具有较大的平面共轭结构,容易聚集成大尺寸晶体,导致体异质结薄膜产生严重的相分离,不利于光生载流子的分离与传输,严重影响太阳能电池的光电转化效率。


扭曲六苯并蔻(c-HBC,图1a)及其衍生物具有高度共轭的分子结构、较强的π-π堆积能力、高的载流子迁移率以及优异的自组装能力,在有机电子领域的潜在应用。然而十几年来,关于c-HBC在OSC中的研究非常有限。基于c-HBC衍生物制备的OSC仅有几例,且都性能不佳。究其原因,一方面,c-HBC的光谱吸收太窄,最大截止吸收波长甚至不到500 nm,不能高效利用太阳光子,造成大量能量损失。另一方面,c-HBC分子的过度聚集使得光活性层产生过大的相分离,不利于载流子的高效分离和传输。



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图1 (a)HBC-4-PDI的合成路线图和OSC器件结构示意图;(b)HBC-4-PDI的溶液和薄膜吸收光谱;(c)BDT基聚合物给体和HBC-4-PDI的能级示意图;(d)HBC-4-PDI的优化构型;(e)HBC-4-PDI作为受体材料的光伏性能;(f)光伏器件的外量子效率曲线;(g)BDT基聚合物: HBC-4-PDI共混膜的形貌

为解决上述问题,上海师范大学肖胜雄教授课题组以c-HBC单元为核心,将四个PDI单元以共价键连接的方式环绕在c-HBC外围,设计合成了一种具有四叶三维空间构型的共轭分子HBC-4-PDI。与以往报道的其他c-HBC衍生物相比,HBC-4-PDI在可见光区域的光谱吸收明显拓宽并增强,最大截止吸收波长延长至646 nm,可以更有效地利用太阳光子。吸电子单元PDI的引入降低了整个分子的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)电子能级,使HBC-4-PDI成为一种理想的电子受体材料,可以很好地与多种苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)基聚合物给体材料相匹配。此外,三维空间构型的设计有效降低了c-HBC和PDI各自的强自聚集特性,有助于给受体材料共混膜形成适度尺寸的纳米相分离,从而促进载流子的分离和运输。以HBC-4-PDI作为NFA材料制备的OSC获得了高达1.06 V的开路电压和最高2.70%的光电转化效率,与先前报道的c-HBC基NFA材料相比提升一倍以上。该研究工作提供了一种具有三维空间构型的c-HBC基NFA材料的设计思路,并展示其在有机光伏中良好的应用前景。

文信息

A Three-Dimensional Non-Fullerene Acceptor with Contorted Hexabenzocoronene and Perylenediimide for Organic Solar Cells

Xin Zhu, Lei Yang, Yangyang Pan, Yuqin Yang, Xuming Ding, Chuanming Wan, Zhuo Zhang, Yun Luo, Qinghai Zhou, Dr. Liwei Wang, Prof. Shengxiong Xiao

文章的第一作者为博士研究生朱欣和杨磊,通讯作者为肖胜雄教授和王丽维博士。


Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202304167



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