第一作者：张涛

通讯作者：安存彬副研究员，侯剑辉研究员

通讯单位：中国科学院化学研究所

论文DOI：10.1002/adma.202207009

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分子结构和光伏性能之间关系的研究对于构筑高效室内光有机光伏（IOPV）电池是滞后的。在本工作中，通过采用两个中等带隙非富勒烯受体（NFA）来深入研究这种关系。与经典ITCC相比，新合成的电子受体 FTCC-Br展示相似的光学带隙和分子能级，但是明显增大的偶极矩和平均静电势（ESP）。在与聚合物给体PB2共混后，PB2:ITCC和PB2:FTCC-Br体系具有纳米尺度相分离形貌和相同的激子解离驱动力，但PB2:FTCC-Br体系具有更大的ESP差异。在有机光伏（OPV）电池中，基于PB2:ITCC的光伏器件获得了11.0%的光伏效率（PCE），而基于PB2：FTCC-Br的光伏器件实现了高达14.8%的PCE，同时其开路电压（VOC）高达1.05 V，这是VOC超过1.0 V的OPV电池中的最高值。当两种光伏器件在3000 K发光二极管（LED）的1000 lux下工作时，基于PB2:ITCC的1 cm2器件产生25.4%的光伏效率；而基于PB2:FTCC-Br的1 cm2器件产生一个出众的光伏效率高达30.2%，这是目前IOPV效率最高值。这些结果表明，活性层材料的较大ESP差对于实现高效OPV电池非常重要。

背景介绍

随着物联网（IoT）的快速发展，需要在室内环境下驱动大量具有离网能源的无线电子设备。光伏电池是一种激动人心的技术，通过收集环境光为物联网设备提供能量。与无机光伏技术相比，OPV电池由于其高吸收系数和高度可调的光学带隙，可以在低光强下产生更高的PCE。此外，OPV电池的独特优势，如重量轻、柔性和低成本生产，使其成为驱动IoT无线设备的理想能源。然而，目前IOPV的最高效率约29%，仍远低于其理论预测值（40%）。理想的IOPV电池，必须同时具备以下特征：（i）光伏活性层在400-750 nm处的高摩尔消光系数。（ii）低非辐射复合电压损耗。（iii）有效激子离解和电荷传输。尽管基于NFA的IOPV电池在改善PCE方面取得了显著成功，但分子结构、激子解离和电荷传输之间的相关性仍然不清楚，这阻碍了高效IOPV电池材料的设计。

本文亮点

1. 新合成的电子受体FTCC-Br与ITCC具有相似的光学带隙和分子能级。但FTCC-Br具有更大的平均静电势。

2. 在OPV电池中，基于PB2:ITCC的器件产生了11.0%的PCE，而具有较大ESP差值的PB2:FTCC-Br实现了14.8%的出色PCE，同时获得了一个VOC高达1.05 V，这是VOC高于1.0 V的OPV电池中的最高值。

3. 在3000 K发光二极管的1000 lux下，基于PB2:ITCC的1 cm2 OPV电池产生了25.4%的PCE，相比之下，基于PB2:FTCC的1 cm 2光伏电池实现了30.2%的创纪录PCE。

图文解析

图1 电子受体的基本光电参数对比。

图1a显示本工作涉及到的电子受体ITCC和FTCC-Br以及聚合物给体材料PB2和PBDB-TF。图1b展示FTCC-Br的HOMO（-5.64 eV）和LUMO（-3.78 eV）能级与ITCC非常接近（-5.62 eV，-3.77 eV），这种微小能级差也被紫外光电子能谱（UPS）实验证实（FTCC-Br, 5.83 eV; ITCC, 5.82 eV）。这种接近的分子能级使其作为电子受体与同一种给体材料制备OPV电池时，相应的器件将产生相似的驱动力。在薄膜中，两种NFAs的紫外-可见光（UV-vis）吸收光谱显示了相似的吸收曲线，其光学带隙约为1.72 eV。图1d所示FTCC-Br膜的Urbach能约为25.8 meV，小于ITCC膜的Urbach能（约31.1 meV），从而表明FTCC-Br在固态中具有更有序排列。为了从LED光中捕获更多光子，本研究采用了聚合物供体PB2，与经典聚合物供体PBDB-TF相比，PB2具有类似的HOMO能级，但明显更宽的光学带隙。如图1c所示， ITCC/FTCC-Br与PB2结合可以覆盖比与PBDB-TF结合更宽的吸收光谱，这有利于在IOPV电池中产生更高的短路电流密度（JSC）。另外，ITCC薄膜具有更高的电致发光效率（3.1´10-3）相比于FTCC-Br的薄膜（1.0´10-3）（图1e），表明基于ITCC的光伏电池可能实现更高的VOC。

图2 电子受体的光伏性能对比研究。

在标准光测试下，优化的PB2:ITCC器件的光伏效率仅为11.0%，而PB2:FTCC-Br器件的光伏高达14.8%,同时产生了一个超高的VOC（1.05 eV, 图2a）。据我们所知，迄今为止，对于VOC超高1 eV以上的OPV电池，这是最高的PCE （图2c）。基于两种器件的高VOC和PCE，他们被制备成1平方厘米的器件，以研究在弱光下的光伏效率（图2d-2i）。在1000 lux下，基于PB2:ITCC的最佳IOPV电池的光伏效率达到25.4%，而基于PB2:FTCC-Br的最佳IOPV电池的光伏效率达到创纪录的30.2%。当器件面积增大到4平方厘米时, 基于PB2:FTCC-Br的最佳IOPV电池的光伏效率仍然可以达到28.0%。

图3 两个电子受体的静电式对比研究。

考虑到两种具有NFAs的OPV电池具有相似的形貌、分子堆积以及激子解离驱动力。我们研究了分子的表面ESP。图3表明：TCC（92.1 meV）及其异构体（78.5 meV）的平均ESPs值低于TCC-Br（113.7 meV）和其异构体（104.8 meV），这意味着将Br原子引入端基增加了NFA的ESP。将上述端基与不同的中心骨架结合时，ITCC及其异构体的平均ESP值（72.3-73.1 meV）远低于FTCC Br及其异构体（173.8-177.2 meV）。这一结果表明，NFA中心核的分子几何结构在显著提高其平均ESP值具有重要作用。计算出PB2的平均ESP值为-73.5 meV。与基于PB2:ITCC的OPV电池相比，PB2:FTCC-Br电池中显著增加的ESP差异可以辅助激子解离。这可能是PB2:FTCC-Br表现出优异的激子解离和光伏效率的原因。

总结与展望

本工作设计并合成了一种新的中带隙NFA，FTCC-Br具有与ITCC相似的光学带隙、分子能级，但由于不同的中心共轭骨架，具有不同的分子几何结构。在与给体材料PB2共混后，尽管PB2:ITCC和PB2:FTCC-Br的活性层具有优良的相分离形貌和相同的驱动力，但由于PB2:FTCC-Br具有大ESP差值，导致其OPV电池的激子解离概率显著高于PB2:ITCC的电池。此外，与PB2:ITCC相比，PB2:FTCC-Br具有更长的激子寿命和更有效的空穴从给体到受体的传输能力。因此，基于PB2:ITCC的OPV电池的PCE仅为11.0%，而基于PB2:FTCC-Br的OPV的PCE为14.8%，JSC和FF显著增加。基于PB2:FTCC-Br电池的优异特性在低光强下得以保持。因此，在1000 lux 的3000K LED下，1 cm2的PB2:FTCC-Br电池实现了30.2%的PCE，这是迄今为止IOPV电池的最高PCE值。相反，基于PB2:ITCC电池的PCE仅为25.4%。研究结果表明，开发具有大偶极矩和大ESP差异的NFA对于实现高性能IOPV电池至关重要。

作者介绍

安存彬，中国科学院化学研究所副研究员。2011-2016年，于德国马克斯普朗克高分子研究所进行博士学习与博士后研究，2016年加入中国科学院化学研究所侯剑辉课题组，研究方向为有机半导体材料的开发及其光电器件性能的研究，在Angew. Chem. Int.Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等期刊发表论文近60篇。

侯剑辉，中国科学院化学研究所研究。2001-2006年，于中国科学院化学研究所攻读博士学位；2006-2008年，于美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究；2008-2010年，在美国Solarmer Energy公司担任研究部门主管；2010年底加入中国科学院化学研究所（高分子物理与化学实验室），担任课题组长/博导。主要从事有机/聚合物光伏领域的研究。发表SCI论文300余篇，论文他引40000余次；授权发明专利21项。