基于新型非富勒烯小分子受体材料INTIC和INTzIC的有机太阳能电池及其性能

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有机光伏器件由于质量轻、成本低、工艺简单、易于制备柔性器件、易于大规模生产等优点,受到人们越来越多的关注。在研究初期,由于富勒烯材料优越的电子迁移能力使其作为受体,在有机光伏研究领域中得到了广泛的应用。但是,富勒烯受体在可见光区较弱的吸收、不易调节的分子能级以及较高的合成成本等局限性,制约了它的发展,因此研发新型的非富勒烯受体是当前有机光伏的研究热点。要求新的非富勒烯材料既能保留富勒烯材料高效的电荷转移能力、与给体材料可以良好共混,同时还要具有易于合成、具有更高光学吸收率和分子能级容易调节的优点。然而目前许多高性能小分子材料的中心D单元都需要繁琐的加工过程,因此,开发出易于合成并满足以上要求的非富勒烯材料仍是一项挑战。在制备非富勒烯小分子光伏电子受体中,茚并[1,2-b]吲哚(IN)被证明是一种易于获得的结构单元。我们合作单位发现以IN为中心的富电子芳香族核心的A-π-D-π-A化合物,即INTIC和INTz IC,它们显示出强而宽的近红外吸收。我们以PTB7-Th为给体,首次利用INTIC和INTz IC作为受体制备了有机太阳能电池,其平均功率转换效率分别为6.87%和6.60%,基于INTIC有机光伏器件进行优化后,得到的最高效率为7.27%。为了对以INTIC为受体体系的器件性能进行进一步的优化,我们又选择了其他三种聚合物PTB7、PBDB-T和PBDB-T-2F分别作为给体材料,以同一器件结构制作了有机太阳能电池。实验结果表明,基于PBDB-T:INTIC的有机光伏器件的最佳效率为11.08%。对比发现,相对于以PTB7-Th:INTIC为活性层的器件,基于以PBDB-T:INTIC为活性层的器件的开路电压VOC从0.80V增加到0.84V,短路电流JSC从15.32 m A/cm2增加到19.42 m A/cm2,填充因子FF从60.08%增加到67.89%,效率提高了52.4%。这是因为PBDB-T:INTIC系统具有更好的载流子解离和提取,载流子传输以及更高的载流子迁移率。通过对四种给体光伏器件的对比,我们发现对受体INTIC(低成本,强红外吸收能力的受体)选择合适的给体,可以制备出具有高的光伏性能的电池。本文图29幅,表7个,参考文献67篇。
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