富勒烯基分子具有高電子遷移率，在早期的太陽能電池中被廣泛應(yīng)用，但是其具有光吸收性能較低、結(jié)構(gòu)難以調(diào)控、分子溶解性差等缺點(diǎn)。與之相比，非富勒烯分子能夠有效的改善這些問題。因此近些年，基于非富勒烯受體的旋涂型有機(jī)太陽能電池的快速發(fā)展展現(xiàn)了非常好的應(yīng)用前景。但是在保護(hù)性氣氛中旋涂制備的有機(jī)太陽能電池并不適合大規(guī)模應(yīng)用，此外，制備過程中使用的高毒性溶劑，同樣不符合環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，開發(fā)環(huán)境友好和可大規(guī)模應(yīng)用的材料是非常重要的目標(biāo)。
中科院化學(xué)所林禹澤、北京大學(xué)占肖衛(wèi)、香港中文大學(xué)路新慧以及首都師范大學(xué)、武漢大學(xué)合作開發(fā)了一種富環(huán)電子受體（F10IC2），這種電子受體中包括十環(huán)中心并提供分子溶解性的烷氧基鏈，通過和PTB7-Th結(jié)合，這種分子受體能夠在空氣氣氛中實(shí)現(xiàn)使用氯苯或者鄰二甲苯（無氯溶劑）進(jìn)行刮涂制備電池，并且沒有后處理就能達(dá)到較好的工作效率（氯苯實(shí)現(xiàn)12.5 %效率，鄰二甲苯實(shí)現(xiàn)11.4 %效率），這個(gè)效率值在目前刮涂法中是最好的。作者認(rèn)為通過烷氧基修飾能夠?qū)崿F(xiàn)具有高光活性太陽能電池材料，并且這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，在將來有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化。
本文要點(diǎn)：
1）電池制備方法。合成了A-D-A型FREA F10IC2型分子，其中的10個(gè)環(huán)構(gòu)成的分子中心對(duì)分子間的相互作用和電荷傳遞有較好的提升作用。通過烷氧基對(duì)分子的修飾，F(xiàn)10IC2分子能夠擴(kuò)展光吸收范圍，并且顯著改善了分子的溶解性，使這種材料能夠在非氯代溶劑中處理。F10IC2分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和PTB7-Th有較好的配合。制作了基于indium tin oxide (ITO)/ZnO/PTB7-Th: F10IC2/MoO3/Ag的太陽能電池。電池制作過程中不需要溶劑加入處理、加熱煅燒處理、加熱旋涂處理、蒸發(fā)溶劑處理等過程。
2）發(fā)現(xiàn)刮涂方法比通過旋涂方法得到的電池有更高的工作效率。分別在氯苯和鄰二甲苯中旋涂制備的太陽能電池展現(xiàn)了11.7 %和10.7 %的工作效率。分別在氯苯和鄰二甲苯中通過刮涂法制備的太陽能電池展現(xiàn)了12.5 %和11.4 %的工作效率。使用刮涂法在氯苯制備的PTB7-Th: F10IC2材料太陽能電池展現(xiàn)了12.5 %的工作效率，開路電壓0.766 V，電流密度為23.8 mA/cm2，填充因子68.5 %。這種電池的光吸收范圍達(dá)到930 nm，外量子效率達(dá)到79.5 %。
通過空間電荷限制電流(Space charge limited current (SCLC))方法對(duì)空穴和電子的遷移率進(jìn)行測(cè)試。刮涂法得到的薄膜展現(xiàn)了10-4數(shù)量級(jí)的空穴遷移率(μh)和電子遷移率(μe)。μh/μe范圍為0.6~2。
Xiaona Han; Jingshuai Zhu; Yiqun Xiao; Haotian Jiang; Zhenzhen Zhang; Jiayu Wang; Zhen Li; Yuze Lin*; Xinhui Lu*; Xiaowei Zhan*Alkoxy‐Solubilizing Decacyclic Electron Acceptor for Efficient Ecofriendly As‐Cast Blade‐Coated Organic Solar CellsSol. RRL. DOI: 10.1002/solr.202000108https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.202000108
