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近些年，非富勒烯电子受体材料吸引了有机太阳能电池领域的巨大关注，获得了巨大发展，基于单层非富勒烯电池的器件认证光电转换效率（PCE）也已经突破了13%。迄今为止，成功的非富勒烯受体材料主要是基于稠环作为核的A-D-A型的体系，例如非常有名的IEIC及ITIC。这些稠环有利于分子内的电荷传输及π-电子的离域及缩减带隙。而且，这些平面的非富勒烯受体可以降低分子旋转的无序化并降低重组能，有利于提高电荷迁移率并降低电压损失。在设计非富勒烯受体时，一个具有挑战的任务是开发近红外吸收的窄带隙高效材料。窄带隙的材料具有很多优势：（1）与光谱更加匹配，可以提高短路电流及光电转换效率；（2）可以制备半透明太阳能电池，提高可见光的透明度；（3）可以用作叠层电池的底层电池。

最近，华盛顿大学Alex K.-Y. Jen教授课题组对比了两个基于4T到6T近红外吸收材料（图1）分子的各种性质，从4T到6T会在光电性能及器件性能上获得更大的优势。比如，如同4T一样，6T的共振能低，比IDT与IDTT具有更好的电子离域；而且6T有更长的有效共轭长度，会继续促进其吸收到近红外区。6TIC有两个朝外的TT，也可以提高6TIC的平面性，能够更有效的分子堆积及电荷传输。利用二碘辛烷（DIO）为添加剂，基于6TIC的器件热退火处理后PCE高达11.07%，短路电流密度（J_SC）超过20 mA cm⁻²，而且其半透明器件的效率亦可达到7.67%。

图1. （a）分子结构；（b）分子的合成步骤。图片来源：Adv. Energy Mater.

值得注意的是，前不久北京大学占肖卫（Xiaowei Zhan）教授课题组在Advanced Materials 也报道了具有相同6T核的非富勒烯受体材料FOIC（图2），区别之处在于边端采用了不同的受体。其直接旋涂（as-cast）制备器件的效率达到12%，半透明器件效率达到10.3%（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705969）。

图2. 非富勒烯受体材料FOIC。图片来源：Adv. Mater.

再回到Alex K.-Y. Jen教授课题组的工作中。测试结果显示，6TIC在溶液及薄膜中都比4TIC展现了更宽的吸收主峰，作者在溶液中测试了其电化学数值，而DFT计算得到的前线轨道数值也与测试得到的数值相吻合（图3）。

图3.（a）两个分子的吸收图；（b）电化学测试；（c）DFT模拟。图片来源：Adv. Energy Mater.

随后作者制备了结构为ITO/ZnO/PTB7-Th:6TIC/MoO₃/Ag的有机太阳能电池器件，发现在退火前后效率发生明显变化。150 ℃下退火10分钟，使得J_SC及填充因子（FF）提高，最高可以达到11%的光电转换效率（图4a）。相关的外量子效率（EQE）曲线中，最高位置数值接近80%（图4b）。相对于4TIC的器件，基于6TIC的器件J_SC与开路电压（V_oc）增大，这归因于其吸收增宽，LUMO变高。而J_SC对于不同电流强度的变化显示，退火后其参数接近1，这说明其相关的复合变弱。

图4. （a）不同条件下的电流-电压曲线；（b）EQE测试曲线；（c）不同光强下的短路电流；（d）不同光强下的开路电压测试。图片来源：Adv. Energy Mater.

总之，Alex K.-Y. Jen教授课题组设计合成了新核6T，并利用其制备了非富勒烯受体，其吸收可以超过900 nm，达到近红外区。应用于器件后，得到了约11%的效率，制备成半透明器件后，效率超过7%。尽管现在的材料种类愈加增多，在非富勒烯受体的开发中也应该陆续考虑稳定性、成本等因素。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Terthieno[3,2-b]Thiophene (6T) Based Low Bandgap Fused-Ring Electron Acceptor for Highly Efficient Solar Cells with a High Short-Circuit Current Density and Low Open-Circuit Voltage Loss

Xueliang Shi, Jingde Chen, Ke Gao, Lijian Zuo, Zhaoyang Yao, Feng Liu*, Jianxin Tang*, Alex K.-Y. Jen*

Adv. Energy. Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702831

导师介绍

Alex K.-Y. Jen

http://www.x-mol.com/university/faculty/1589

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