基于非富勒烯受体的有机太阳能电池外文翻译资料

 2022-12-30 11:12

基于非富勒烯受体的有机太阳能电池

摘要：近二十年来，有机太阳能电池（OSCs）一直由基于富勒烯受体的给/受体共混物所支配。近年来，随着非富勒烯（NF）OSCs的迅速发展，这种情况发生了变化。目前NF-OSCs的能量转换效率已达到13%以上，高于目前最好的基于富勒烯的OSCs。非富勒烯受体在吸收光谱和电子能级上表现出很强的可调节性，给OSCs的发展注入了新的希望。低电压损耗和高电流的共同产生表明，这些系统达到了器件物理和光物理的新领域。本文着重介绍了非富勒烯受体所带来的机遇，并讨论了NF-OSCs在实际应用中所面临的挑战。

关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，器件物理，受体

有机半导体吸光后产生牢固结合的激子。给体(D):受体(A)本体异质结(BHJ)结构，适用于低成本的溶液处理，提供了一个有效的方法，将激子分裂成自由载流子[1,2]。在不同的受体材料中，富勒烯衍生物是近二十年来最受关注、功率转换效率（PECs）最高的材料。富勒烯衍生物的独特之处在于它们的球形全共轭结构，它提供了强大的电子接受能力和各向同性电子输运能力，并促进了D:A界面上的电子离域[3]。因此，富勒烯衍生物被认为是有机太阳能电池（OSCs）高效运行的关键组成部分。事实上，基于富勒烯衍生物以外的分子的受体材料，通常被归类为非富勒烯（NF）受体，其PCEs较低[1,4]，这主要归因于形态学控制的困难[5]。

然而，这种情况最近有所改变。自2015年以来，NF-OSC的PCEs显著增加，目前已达到13.1%[6]。目前，该能量转化效率比在最佳富勒烯基OSCs[7,8]中获得的效率要好。近两年来，NF-OSCs的快速发展得益于近二十年来富勒烯基OSCs的合成方法、材料设计策略和器件工程。富勒烯基OSCs开发的大量的给体分子为NF-OSCs提供丰富的选择。此外，最初为给体分子开发的各种设计策略可随时用于调节NF受体的吸收光谱和能级，从而在实现具有互补吸收和优化能带图的给体-受体系统方面具有更好的灵活性。下一节将讨论一些高性能分子的发展，这也有助于吸引NF-OSCs研究界的兴趣。

从器件的角度来看，激子可以在可忽略的驱动里的情况下有效分离，这一事实导致了NF-OSC中的高PCE[9-14]。因此，NF-OSCs往往同时具有高的光电流和低的电压损耗。相比之下，在低驱动能量下，富勒烯基OSCs中的电荷分离通常会出现问题，在高光电流和高光电压之间呈现出一种平衡[15,16]。目前，该器件物理学和光物理研究落后于材料和器件工程学的快速发展。一个基本问题是激子如何在低驱动能量的NF-OSCs中分裂成自由载流子。

非富勒烯受体的关键挑战之一可能在于其各向异性结构。众所周知，D:A pi;-pi;相互作用对器件中的电荷转移和输运非常重要，它取决于给体和受体材料之间的分子取向[17]。与富勒烯衍生物中的各向同性球型共轭骨架相比，非富勒烯受体的各向异性共轭结构使得保证有效的pi;-pi;相互作用变得更加困难[18-21]。因此，在NF-OSCs中，给体与受体的配对具有正确的化学结构是至关重要的，这必须确保最佳的分子取向和精细的相分离。

非富勒烯受体的发展带来了富勒烯基OSCs不可能实现的机遇，同时也带来了这项有希望的技术在未来应用中有待解决的挑战。此外，NF-OSCs的运行也意味着新的工作机制，这可能与富勒烯基OSCs的工作机制有根本的不同。本文旨在探讨这些机遇、挑战和工作机制，以期促进这一领域的进一步发展。NF-OSCs的PCEs有可能通过材料化学和器件工程得到进一步的改进。因此，NF-OSCs在不久的将来为实际应用提供了一种很有前途的技术，特别是考虑到它们还表现出优异的热稳定性[22,23]。

非富勒烯受体的技术发展水平

根据化学结构，最新的受体可分为两类：基于稠环芳香二亚胺的受体和基于强分子内电子推拉效应的受体。这些高性能非富勒烯受体有两个共同的特点（图1a）。首先，用pi;-共轭官能团修饰其共轭主链，该pi;-共轭官能团涉及高度负电的元素，例如氧（以羰基的形式）和/或氮（以氰基或含氮的杂芳烃段的形式）。第二，这些官能团中的pi;-电子可以很好地离域到主链中。第一个特性提供强电子接受能力，第二个特征确保了相对较低的重组能，使得所接受的电子能够容易地被传输而不被捕获。此外，对于溶液处理的OSCs，还需要仔细设计适当的官能团以满足溶解性要求，这与真空沉积OSCs不同。我们注意到，在真空沉积太阳能电池中，非富勒烯受体在增强光吸收方面也显示出巨大的潜力，因此吸引了相当大的关注，这与溶液处理OSCs的最新发展相一致[24,25]。

图1 |最先进的非富勒烯受体。a，成功的非富勒烯受体的关键特征（分别是在异质结和体异质结OSC中使用的第一种非富勒烯受体材料：由高电子负原子连接的官能团（例如，氧或氮）和低电子负原子（通常是碳）通过共轭键，提供强大的电子接受能力。然后这些官能团被连接到共轭的主干上。b，基于芳香族二亚胺衍生物的两种典型受体材料：二聚PDI和聚合物NDIs，其中Ar代表单元间的连接体。c，以小分子芳香族二亚胺（SF-PDI2）为受体，P3TEA为供体的NF-OSCs的性能和分子结构。d，以聚合芳香二亚胺（N2200）为受体，PT-zBI为供体的NF-OSCs的性能和分子结构。e、f，八种不同分子内电荷转移（ICT）效应的类ITIC受体的分子结构，与PBDBT-T-SF:IT-4F的结构和光电性能的组合如f所示。

基于稠环芳香二亚胺的受体。稠环芳香二酰亚胺衍生物是第一种用于异质结OSCs的受体材料，1986年被用作开创性双层器件的电子受体（图1a）[26]。从那时起，这种材料就被认为是一种很有前途的NF-OSCs候选材料。在稠环芳香族二亚胺的各种衍生物中，在传统染料工业中应用最为广泛的是苝二亚胺（PDIs）和萘二亚胺（NDIs）（图1b），它们具有吸收光强、合成成本低、稳定性好等优点，是研究最为深入的两种受体分子。

PDIs常用于小分子受体[26]。PDI基受体分子设计的关键是抑制其聚集效应，提高其与聚合物供体的相容性。PDIs具有刚性和平面共轭的主链。因此，固态PDI衍生物倾向于形成大尺寸晶体，这对BHJ结构中的纳米形貌是不利的[4]。除了控制聚集效应的一般适用性方法（例如，侧链工程和溶剂工程）外，解决此问题的有效方法是连接PDI单元，形成二聚或多链PDI（图1b）[28-30]。这些连接的PDI衍生物被扭曲，有助于打破PDI的聚集。例如，通过使用名为SF-PDI2的二聚体获得基于PDI衍生物的有效OSC，其中两个N-烷基取代的PDI由未取代的螺氟烷连接（图1c）[9]。

除了小分子之外，基于稠环芳香族二亚胺的聚合物（例如，N-烷基取代的PDI和NDIs）也被用作所有聚合物OSCs的有效受体[31-34]。在这些聚合物受体的设计中，连接剂也起着关键的作用。在这种情况下，它们不仅有助于调节聚集，而且由于它们的扩展共轭，还提供了减少带隙的额外机会。因此，基于稠环芳香族二亚胺衍生物的聚合物受体常常表现出低的带隙。例如，N2200（图1d）是一种流行的基于NDI和二噻吩的聚合物受体，具有1.46ev的低带隙。它的吸收光谱和能级与最初为富勒烯基OSCs开发的一系列宽禁带和中禁带聚合物供体非常匹配。到目前为止，基于N2200的聚合物OSCs均获得了9%左右的高PCEs[34-35]。

尽管取得了这些进展，但稠环芳香族二亚胺基聚合物受体在OSCs中的应用仍然是有待解决的关键问题。例如，对于PDI基聚合物受体，良好的溶解性和有效的链间pi;-pi;相互作用之间存在微妙的平衡。高度扭曲的连接物有助于提供良好的溶解性，但防止有效的链间pi;-pi;相互作用，不利于分子间电荷转移和传输。因此，在这些聚合物受体中经常使用具有降低扭转效应的连接剂。在这种情况下，为了确保良好的溶解度，必须使用具有足够溶剂化的长支链烷基作为官能团。然而，这些长支链烷基是光电惰性的。这种微妙的需求限制了合适聚合物受体的开发。N2200在高溶解度和强pi;-pi;相互作用之间取得了良好的平衡，因此成为NF-OSCs中应用最广泛的聚合物受体。通过聚合物给体和受体的混合形成BHJ结构的另一个挑战是尽量减少相分离，同时避免不同聚合物之间的链间纠缠。由于化学结构的细微变化会显著影响精细平衡，进而影响器件性能，因此必须对分子结构进行系统的研究，以进一步提高所有聚合物OSCs的性能。

图2|ITIC及其衍生物的独特特征。a，b，图1e中类ITIC分子的吸收光谱（a）和分子能级（b）可以通过调节ICT效应来容易地调谐。通过电化学循环伏安法测定了分子能级。c，ITI分子包括电子推动和电子拉动单元，其中电子推动单元由大块的非共轭侧链屏蔽。d，ITIC分子最佳几何结构的俯视图和侧视图。e、双分子堆积模式表明，电子缺陷的端盖单元与相邻的受体分子形成pi;-pi;相互作用，实现有效的分子间电荷输运，与施主材料形成pi;-pi;相互作用，实现有效的电荷输运。由于非共轭侧基的空间位阻，富电子中心单元不参与pi;-pi;相互作用，只参与分子内电荷输运。

基于强分子内电子推拉效应的受体。在BHJ-OSCs的开创性工作中[1]，报告了这一类别的第一个受体CN-PPV（图1a）。由于氰基具有高的电子负性，并且与乙烯链相连，因此接受的电子可以沿着CN-PPV的共轭主链有效地离域尽管基于CN-PPV受体的OSC的效率较低（效率高达2%）[36]，但该材料的发展引发了基于具有强电子负性官能团的聚合物或小分子受体的合成。

2015年，根据这些指南，开发了一种高性能材料，简称为ITIC（图1e）[37]。从那时起，用ITIC衍生物（图1f）获得了NF-OSC的最佳光伏性能[6,22,38]。通过控制分子内的能量，可以有效地调节化合物的分子能级和吸收光谱电子推拉效应，是同时保持其作为有效受体材料的关键特性（图2a，b）。易于调谐的特性为核燃料电池的快速发展做出了巨大贡献。例如，如图2b所示，通过将甲基或甲氧基等富含电子的基团加入到ITIC的端盖单元中，可以增加最低的未占用分子轨道（LUMO）水平，从而产生一种称为IT-M的分子。使用相同的施主聚合物，基于IT-M的器件具有比基于ITIC的器件更高的开路电压（VOC）值（导致12.1%的PCE增强）[38]。同时，ITIC的LUMO水平也可以通过将缺乏电子的元素（如F原子）加入端盖基团而降低，从而形成一种叫做IT-4F的分子。由于IT-4F中端基的电子牵引效应和分子内电荷转移（ICT）效应增强，该分子具有较低的LUMO能级、红移吸收和较强的消光系数。为了在不牺牲VOC的情况下充分利用IT-4F宽而强的光吸收能力，采用了一种低LUMO含量的聚合物PBDB-T-SF（如图1f所示）作为给体材料。因此，基于PBDB-T-SF:IT-4F的装置在短路电流（JSC）为20.5mA cm-2的情况下具有13.1%的高效率[6]。

对OSC材料界来说，一个关键的问题是：除了其低带隙和强电子接受能力之外，是什么使ITIC衍生物如此独特？我们认为关键可能在于分子几何学支持的有利pi;-pi;相互作用（图2c-e）。在ITI衍生物中，它是不导电的端盖单元与聚合物给体和/或共混膜中相邻的受体分子形成pi;-pi;相互作用，促进有效的电子转移和传输。相反，由于非共轭侧基的空间位阻，富电子中心单元不参与pi;-pi;相互作用[39]。我们注意到这一特性也适用于其他基于强分子内电子推拉效应的高效受体。例如，小分子受体EH-IDTBR虽然在化学结构上不同于ITIC衍生物[40]，但也具有pi;-pi;相互作用的缺电子端盖单元和pi;轨道被非共轭侧基屏蔽的富电子核。

小驱动能量下的有效电荷分离

与基于富勒烯的OSCs相比，基于NF的OSCs最显著的特点是，在小的（甚至可以忽略不计的）驱动能量的情况下，多种器件显示出高效的电荷产生[9-14]。驱动能量，传统上被认为是在D:A界面分裂强束缚激子所必需的，对OSCs构成额外的电压损失[41-43] 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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