▲第一作者：常遠，張昕 ；通訊作者：詹傳郎，馬偉，郭雪峰 通訊單位：內蒙古師范大學、中科院化學所、西安交通大學、北京大學論文DOI：10.1016/j.nanoen.2019.103934
本文報道一個新的小分子受體材料（IEICF-DMOT），分子中電子給受體單元之間用 3,4-二甲氧基噻吩（DMOT）為橋聯單元，DMOT 上兩個短鏈的甲氧基單元，不僅可以提高受體分子的 LUMO 能級和開路電壓，還可以減弱分子在面內和面外方向上的結晶性，提高材料的外量子效率（EQE）和器件填充因子，從而可以和 IEICO-4F 一起用于制備高效率的非富勒烯三元電池。
有機太陽能電池具有質輕、柔性、成本低、易于大面積印刷制造等優點，作為一種綠色、可再生的能源技術得到了廣泛關注并且在近年來發展十分迅速。得益于材料設計的創新以及器件結構的優化，有機太陽能電池（OSCs）光電轉換效率（PCE）不斷提高。2015 年，稠環電子受體分子 ITIC 的出現開啟了高性能非富勒烯受體材料的研究大門；2019 年，Y6 的問世更是將有機太陽能電池的光電轉換效率提高到了 15 %。
一般來說，非富勒烯受體分子由若干具有給電子性單元（D 單元）和吸電子性單元（A單元）組成，目前多為 A-D-A 或者 A-π-D-π-A 結構。近年來，為了進一步提高有機光伏器件的光電轉換效率，科研工作者們嘗試了大量的分子結構改進措施。總的來說，改進方案主要從以下幾方面入手：1）在 D 單元中增加稠環噻吩個數或替換為其他功能性稠環單元，從而將吸收光譜拓展至近紅外區域，增強吸光系數；2）對 A 單元進行官能化修飾，調節 LUMO 能級，調控電子傳輸性能；
我們從 D 單元與A單元之間的 π-bridge 入手，對經典分子IEICO-4F進行優化，得到新的受體分子 IEICF-DMOT（Fig. 1）。IEICO-4F分子LUMO能級較低(-4 Ev)，與給體 PBDTTT-E-T 匹配僅能產生 0.69 V 的開路電壓；且π-bridge上的長側鏈，使分子展現出較強結晶性，與 PBDB-T 匹配 FF 僅為 0.64。根據 DFT 計算結果，我們在 π-bridge 的噻吩的 4 號位引入 D 單元，提高了分子的 LUMO 能級；并使用長度更短的側鏈替換 3 號位的 -O-R，降低了分子結晶性。與 IEICO-4F 相比，IEICF-DMOT 具有更優異的光電性能，PBDB-T 作為給體時，光電轉換效率達到 13 %，相比于 IEICO-4F 高 30 %
▲Figure 1. Molecular structures and the LUMO and HOMO distributions of the acceptor molecules IEICO-4F (a) and IEICF-DMOT (b).
合成路線如圖2，最終產物 IEICF-DMOT 的產率為 85 %。
▲Figure 2. Synthetic routes towards DMOT and IEICF-DMOT.
如圖3，溶液中，IEICF-DMOT 的吸收峰相比于 IEICO-4F 發生藍移，吸收峰位于 733 nm，分子的摩爾吸光系數可達 2.9 M-1cm-1,高于 IEICO-4F 的 2.2 M-1cm-1。薄膜形態下的 IEICF-DMOT 的吸收峰位于 766 nm，吸收系數 1.64×10?5 cm?1。由薄膜吸收起峰位置計算得到的 IEICF-DMOT 和 IEICO-4F 的光學帶隙 Egopt 分別為 1.38 eV 和 1.27 eV。IEICF-DMOT 和 IEICO-4F 的 HOMO 能級分別為 of?5.24 和 ?5.11 eV，LUMO 能級分別為 ?3.38 和 ?3.31 eV。
▲Figure 3. (a) The absorption spectra of the polymer PBDB-T in thin film (solid line) and acceptors IEICF-DMOT and IEICO-4F in solution (chloroform, dash lines) and in pure thin films (solid lines). (b) The diagram of energy levels of the polymer and acceptors.
如圖4，面內和面外方向可以看到 IEICO-4F 和 IEICF-DMOT 的(100)和(010)衍射峰，分別位于 1.81 和 1.79 ? -1，且 IEICO-4F 的衍射峰強度遠高于 IEICF-DMOT，計算得到的 p-p 堆積距離分別為 3.47 和 3.51 ?，說明使用短側鏈取代 p-bridge上噻吩 3 號位的長側鏈降低了分子的結晶性。
▲Figure 4. The GIWAXS data of the pure IEICO-4F (a) and IEICF-DMOT (b) films and the line-cut profiles in the out-of-plane (c) and in-plane (d) directions, respectively.
如圖5，PBDB-T:IEICF-DMOT 二元器件 Voc、Jsc、FF 分別達到0.870 V，22.14 mA/cm2，0.675，效率 13.01%；加入 IEICO-4F 作為第三組分后，EQE 得到一定程度提高，三元電池的效率可以達到 14 %。所以，與 IEICO-4F 相比，IEICF-DMOT 分子具有更合適的 HOMO/LUMO 能級，適宜的電子傳輸特性與更為理想的活性層形貌特征。▲Figure 5. The J-V curves (a) and the EQE spectra (b) of the optimal solar cells.
