2015.11太阳能受体材料

受体材料读书报告
体异质结太阳能电池有低成本、轻质、柔性和可溶液加工的特点。

近些年通过开发高空穴迁移率、协调的能级结构和良好波谱吸收的给体材料，单层和叠层太阳能电池光电转换效率均达到10%。

在体异质结太阳能电池中受体材料与给体材料有着一样的重要性，然而受体材料的研究远落后于给体材料。

目前富勒烯及其衍生物因其在混合膜中高电子迁移率、良好的电子捕捉能力和各向同性的电荷传输性能被广泛作为受体材料应用。

但富勒烯及其衍生物低的可见光吸收能力、局限的能级结构和制作纯化的高成本一定程度上制约了以富勒烯为受体材料的体异质结太阳能电池发展。

而非富勒烯受体材料分子结构容易设计修饰，可以调节能级结构和提高自身电子迁移率，因此进一步发展非富勒烯受体材料仍有必要。

1.1调节受体分子侧基
Zhan等在2015年报道了高效非富勒烯小分子受体的结构（见下图）。

受体分子中三苯胺（TPA）结构中的N原子采用的是SP3杂化，N原子上孤电子对相当于第四个基团，同时因为每条臂都具有相当的刚性和空间位阻，受体分子结构如图螺旋桨结构一般。

文献中以P3HT 为给体材料（HOMO-4.76eV、LUMO-2.74eV），星型S(TPA–DPP)为受体材料（HOMO-5.26eV、LUMO-3.26eV），电池的开路电压为1.18V，短路电流2.68mA*cm-2，PCE为1.20%。

其中开路电压高达1.18V这是因为S(TPA–DPP)的LUMO能级与P3HT的HOMO能级差值为1.5 eV。

文献中采取了退火操作，退火后P3HT的结晶尺寸适当程度增大，表面粗糙程度增加，退火操作增加了电荷传输性能，IPCE明显提高。

从薄膜和溶液中紫外-可见光吸收谱图得出，该扭曲的螺旋桨结构受体分子在薄膜中没有产生大的聚集状态。

文中退火操作适当的提高了相分离尺寸，从而提高了Jsc和IPCE。

标题An Electron Acceptor Challenging Fullerenes for Efficient Polymer Solar Cells
Jo等在2015年报道以PTB7为给体材料（HOMO-5.15eV、LUMO-3.50eV），DTDfBT(TDPP)2或DTBT(TDPP)2 为受体材料（HOMO-5.85eV、LUMO-4.33eV，HOMO-5.70eV、LUMO-4.18eV）。

其中受体为DTDfBT(TDPP)2电池的开路电压为0.81V，短路电流11.83mA*cm-2，PCE达到5%。

该器件在制备活性层时加入1%的乙腈溶剂可以将100-200nm的相分离尺度减小到小于50nm，显著提高了开路电压和短路电流，而DIO的引入对Jsc和V oc没有提高作用。

DTDfBT(TDPP)2和DTBT(TDPP)2的电子迁移率分别为8.2*10-4 cm2 V-1S-1和2.4*10-4 cm2 V-1S-1，这表明该分子中F元素的引入加强了电荷传输作用。

题目Low-Bandgap Small Molecules as Non-Fullerene Electron Acceptors Composed of Benzothiadiazole and
Diketopyrrolopyrrole for All Organic Solar Cells
1.2受体分子星型结构
Zhan等在2012年首次报道了3D（星型）非富勒烯小分子受体的结构（见下图）。

受体分子中三苯胺（TPA）结构中的N原子采用的是SP3杂化，N原子上孤电子对相当于第四个基团，同时因为每条臂都具有相当的刚性和空间位阻，受体分子结构如图螺旋桨结构一般。

文献中以P3HT 为给体材料（HOMO-4.76eV、LUMO-2.74eV），星型S(TPA–DPP)为受体材料（HOMO-5.26eV、LUMO-3.26eV），电池的开路电压为 1.18V，短路电流2.68mA*cm-2，PCE为1.20%。

其中开路电压高达1.18V这是因为S(TPA–DPP)的LUMO能级与P3HT的HOMO能级差值为1.5 eV。

文献中采取了退火操作，退火后P3HT的结晶尺寸适当程度增大，表面粗糙程度增加，退火操作增加了电荷传输性能，IPCE明显提高。

从薄膜和溶液中紫外-可见光吸收谱图得出，该扭曲的螺旋桨结构受体分子在薄膜中没有产生大的聚集状态。

文中退火操作适当的提高了相分离尺寸，从而提高了Jsc和IPCE。

通过进一步改善形貌结构和选用不同的给受体材料，3D星型非富勒烯受体材料的Jsc仍然有提高空间。

同时器件材料较低的空穴迁移率2.8*10-4 cm2 V-1S-1和电子迁移率6.8*10-6 cm2 V-1S-1的不平衡制约了FF的提高。

标题A 3D star-shaped non-fullerene acceptor for solution-processed organic solar cells with a high open-circuit
voltage of 1.18 V
Zhan等在2014年报道了一种有机太阳能电池。

文献中以PBDTTT-C-T（见下图）为给体材料（HOMO-5.11eV、LUMO-3.25eV），星型S(TPA–PDI)为受体材料（HOMO-5.40eV、LUMO-3.70eV），电池的开路电压为0.87V，短路电流11.92mA*cm-2，PCE达到3.32%（当时非富勒烯溶液加工太阳能电池最高纪录）。

该器件在制备活性层时加入5%的溶液添加剂DIO可以适当增大结晶尺寸和粗糙度，增加了电荷传输性能，增大了短路电流和IPCE。

S(TPA–PDI)的电子迁移率为3.0*10-5 cm2 V-1S-1。

S(TPA–PDI)相比S(TPA–DPP)，Jsc有很大提高，是因为电子迁移率和空穴迁移率提高的同时形貌也有改善。

但电子和空穴迁移率的不平衡同样制约了FF 的提高。

标题A Star-Shaped Perylene Diimide Electron Acceptor for High-Performance Organic Solar Cells
1.3受体分子内交叉
最近（2015.8）王朝晖等报道了一种光电转换效率超过7%的非富勒烯有机太阳能电池。

文献中以宽带隙PDBT-T1（见下图）为给体材料，SdiPBI-S为受体材料，电池的开路电压为0.90V，短路电流11.98mA*cm-2，PCE达到7.16%（目前非富勒烯溶液加工太阳能电池最高纪录）。

受体材料溶液状态和薄膜状态光吸收波谱有相似的形状，表面固态时受体分子没有很强的聚集。

该器件在制备活性层时加入0.75%的溶液添加剂DIO时，稍稍降低V oc但提高了FF和Jsc。

SdiPBI-S 的高电子迁移率3.2*10-3 cm2 V-1S-1、PDBT-T1的高空穴迁移率8.5*10-3 cm2 V-1S-1和活性层适当的相分离尺寸是该器件高PCE的原因。

噻吩的引入加宽了受体吸收波谱，同时电子迁移率从SdiPBI的3.2*10-5 cm2提高到了SdiPBI-S的3.2*10-3 cm2 V-1S-1（提高了Jsc）；提高了受体SdiPBI-S
的Lumo能级（提高了V oc）；平衡了电池的电子和空穴迁移率（提高了FF）。

标题Non-Fullerene-Acceptor-Based Bulk-Heterojunction Organic Solar Cells with Efficiency over 7%
王朝晖等在2013年报道了一种光电转换效率为3.63%的非富勒烯有机太阳能电池。

文献中以PBDTTT-C-T为给体材料（HOMO-5.11eV、LUMO-3.25eV），diPBIs, 1–3为受体材料，其中用1b比两个或三个碳碳键连接的PBI受体分子达到的PCE高（3.63%），此外V oc为0.72V，Jsc为10.36mA*cm-2。

两个或三个碳碳键连接的PBI受体分子即2,3，相比1分子电子迁移率更高，这是因为2,3分子平面性更好，电子离域空间更大。

但1的吸收光谱更宽，能级结构更适合，因此1分子的电池Jsc和V oc更高，最终1的PCE更高。

标题Bay-linked perylene bisimides as promising non-fullerene acceptors for organic solar cells。