北师大薄志山CEJ：不对称非稠环受体助力高效三元有机太阳能电池

　　导语：研究人员设计并合成了一种不对称非稠环受体FO-N，并将其作为第三组分添加到基于PBDB-T:DO-2F的二元有机太阳能电池器件中，最终三元器件的效率高达14.10%。北师大薄志山团队CEJ:不对称非稠环受体助力高效三元有机太阳能电池

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　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722008877#!

　　1.前言回顾

　　近年来，非富勒烯受体（NFAs），尤其是A-D-A型稠环电子受体（FREAs），由于其简单且易于修改的化学结构、较宽的光吸收以及与能级可调，得到了迅速发展。然而，FREAs通常在分子中心具有扩大的共轭稠环结构，用以保证宽吸收和高载流子迁移率，这将不可避免地增加合成成本。于是，越来越多的研究利用分子内的非共价相互作用（F··H、O··S、F··S等）来构建非稠环电子受体（NFREAs），最终可以获得超过15%的光电转换效率（PCE）。更重要的是，采用这种策略可以大大降低合成成本。因此，基于NFREAs的有机太阳能电池（OSCs）在未来的商业应用中具有巨大的潜力。

　　为了在OSCs中实现高性能，受体和给体之间应该具有适当的兼容性，以便在活性层中实现适当的形态。适当的相分离有利于激子的有效解离和电荷输运，有利于进一步提高最终器件的短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）。研究证明，在二元体系中添加第三组分可以显著改变组分的原始相容性，调节分子结晶度，以及活性层的形态，最终产生高效的三元OSCs。此外，在分子对称上，非对称分子设计策略可以打破分子的对称性，引入偶极矩，改善加工性能，赋予可调谐的分子聚集，并参与形态调控。

　　图1.分子结构与基本性质

　　2.文献简介

　　有鉴于此，近日，北京师范大学薄志山教授、河南大学宋金生教授、东华大学唐正研究员等人展开合作，通过对先前工作报道的DO-2F进行进一步的分子探索，设计并合成了一种不对称非稠环受体FO-N，其中心具有一个侧支链和一个氟取代基，这种分子设计保证了FO-N更好的可加工性和减少聚集趋势。随后，研究人员制备了相应的二元和三元器件，结果显示，与基于PBDB-T:DO-2F的器件相比，基于PBDB-T:FO-N二元器件的PCE略高，为11.38%。而当在PBDB-T:DO-2F二元体系中加入FO-N后，三元器件的PCE可显著提高到14.10%，其中开路电压（VOC）为0.88V、JSC为21.48mA/cm2，FF为74.41%。

　　图2.光伏性能测试

　　研究人员认为，三元器件中PCE显著的增强主要归因于共混物形态的改善。其中，VOC对FO-N填充量的依赖性表明这两种受体之间具有良好的相容性和共混态的形成。此外，研究还发现FO-N可以有效地抑制DO-2F大团聚体的形成，以获得最优形态，这有利于更有效的电荷分离，并减少非辐射能量损失（ΔEnonrad=0.23eV）。总之，上述结果表明，FO-N可以作为一种高效三元OSCs的第三组分。

　　图3.电荷动力学研究

　　3.文献总结

　　综上，该工作不仅合成了一种新型高性能的NFREAs，同时也说明了三元策略可以有效地增加兼容性，优化形貌，减少非辐射能量损失，进一步提高光伏性能。相关研究成果现已发表在《Chemical Engineering Journal》上，题为“High efficiency ternary organic solar cells via morphology regulation with asymmetric nonfused ring electron acceptor”。

　　本文关键词：有机太阳能电池，非稠环受体，三元器件，形貌优化。

　　4.材料推荐

　　PBDB-T：1415929-80-4

　　Y6：2304444-49-1

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