ACS AMI: 具有可控烷基間隔長度的單組分有機太陽能電池活性層材料

1.前言

有機太陽能電池（OSCs）在實現低成本太陽能轉換方面具有廣闊的應用前景，適用於各種行動式裝置。由於層出不窮的新型光伏材料和器件最佳化，單結和串聯器件的光電轉換效率（PCE）已經超過19%。然而，基於給受體共混物中的活性層形態在器件執行期間容易受到熱、溼和光的影響，這可能會降低器件效能。這種形態的不穩定性是一個關鍵性問題，也是OSCs產業化的一個挑戰。與傳統的混合器件相比，具有共價連線的單組分OSCs在改善器件形態和操作穩定性方面顯示出巨大的潛力。

單組分OSCs主要利用單分子作為光活性材料，其同時含有給受體單元，二者透過共價鍵進行化學鍵合。使用這種單組分活性層材料可以簡化器件製備步驟，同時提高器件重現性。此外，即使在極稀的溶液中，單組分光伏結構中的分子內電荷分離也是有可能的，透過與混合器件進行比較，對單組分OSCs中電荷動力學的詳細研究可以作為進一步最佳化OSCs的重要指示。

圖1：相關分子結構與合成路線

2.簡介

基於以上的問題，近日，

韓國高麗大學Han Young Woo教授

等人研究團隊透過改變烷基鏈間隔長度，設計併合成了兩種不同的A–D–A型單組分活性層材料，即BDTRh–C2–PC61BA和BDTRh–C10–PC61BA。研究人員將這兩種化合物與先前報道的BDTRh–C6–PC61BA分子的光伏特性一起進行了研究，從而揭示出不同烷基間隔長度的影響。研究發現，不同的間隔長度改變了分子間聚集和薄膜形態，並影響了單組分OSCs的光吸收、激子分離、載流子傳輸、電壓損失和由此產生的光伏特性。

圖2：相關器件的光伏效能

雖然三種分子在溶液中表現出類似的紫外-可見光譜，但BDTRh–C10–PC61BA薄膜表現出更高的吸收係數。根據薄膜形態，BDTRh–C10–PC61BA的電子轉移速度（120 fs）比BDTRh–C2–PC61BA的電子轉移速度（190 fs）更快。而形態學研究表明，BDTRh–C10–PC61BA具有更好的p型核分子間堆積，這表明烷基間隔長度在控制分子間堆積相互作用中起著關鍵性作用。BDTRh–C10–PC61BA的光誘導電子和空穴轉移速度更快，載流子遷移率更高，電荷轉移態能量更高，電壓損失更小，最終相應OSCs器件效率更高。但是，由於C10間隔基與C6間隔基相比增加了鏈柔性和絕緣性，導致BDTRh–C10–PC61BA的PCE低於BDTRh–C6–PC61BA的PCE。

圖3：激子和載流子動力學

3.總結

綜上，該工作不僅說明了烷基間隔長度對單組分OSCs光伏效能的影響，也為進一步最佳化各種活性層分子結構型別提供了重要指導。相關研究成果現已發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，題為“Fullerene-Based Triads with Controlled Alkyl Spacer Length as Photoactive Materials for Single-Component Organic Solar Cells”。

本文關鍵詞：有機太陽能電池，單組分器件，電子轉移，載流子遷移，電荷動力學，BDTRh–C2–PC61BA，BDTRh–C6–PC61BA，BDTRh–C10–PC61BA。

BTR-Cl：2410661-17-3

PC61BM：160848-21-5