不对称非稠环电子受体实现低能量损失高效率三元有机太阳能电池

《Dyes and Pigments》：High-efficiency ternary organic solar cells with reduced energy loss enabled by an asymmetric non-fused ring electron acceptor

　　

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  不对称非稠环受体（NFREA）实现了具有优化形貌和减少能量损失的高效三元有机太阳能电池（OSCs）。
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  三元器件实现了18.02%的高功率转换效率（PCE），优于二元PM6:Y6器件。
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  该策略将成本效益提高了10.37%，显示出OSCs商业化的巨大潜力。

引言

有机太阳能电池（OSCs）在过去十年中迅速发展，得益于其轻质、出色的柔性、可调的半透明性以及兼容低成本卷对卷生产等独特优势[1]、[2]。随着光活性材料和器件工程的快速发展，非富勒烯受体（NFAs）显著推动了OSCs功率转换效率（PCE）的持续提高[3]、[4]、[5]、[6]。特别是，自从邹课题组开创性地开发了A-DA'D-A型稠环电子受体Y6以来[7]，这种"香蕉形"骨架已成为高性能NFAs最有效的分子设计策略之一。随后，PM6:Y6共混物成为二元OSCs中最主流且研究最广泛的活性层体系之一，得益于简便的器件制备和优异的重复性。然而，基于PM6:Y6的二元OSCs仍然存在一些限制进一步性能突破的缺陷。二元共混物的窄吸收范围限制了太阳光子的有效捕获，导致光伏器件的短路电流密度（J_SC）令人不满意。同时，较大的能量损失和精确调控活性层形貌的困难进一步限制了开路电压（V_OC）和填充因子（FF）。因此，与近两年报道的其他前沿高效体系相比[8]、[9]、[10]，PM6:Y6的光伏性能仍有提升空间。

为了解决这些瓶颈，三元OSCs被广泛采用作为提高该系统PCE的有效策略，它可以有效优化能级排列、拓宽吸收范围、调控活性层形貌并抑制电荷复合[11]。大量研究采用具有中等带隙或与Y6分子结构相似的稠环小分子受体（SMAs）作为三元OSCs中的第三组分[5]、[6]、[12]、[13]、[14]。例如，Q. Bao等人报道，将稠环SMA ITIC-M引入PM6:Y6二元共混物中，他们成功在具有互补光吸收和良好纤维形貌的三元OSCs中实现了18.13%的PCE和令人印象深刻的80.10% FF[15]。2020年，S. Li及其同事设计了两种不对称A-DA'D-A型SMA，具有高电致发光量子效率和快速电荷转移。将不对称受体BTP-S2引入PM6:Y6体系后，由于非辐射能量损失减少，他们在三元OSCs中实现了17.43%的改进PCE[16]。最近，S. Zhu等人采用结构相似的SMA Y11作为PM6:Y6体系中的第三组分。通过优化分子堆积和垂直相分布，三元OSCs实现了19.0%的显著效率提升[17]。尽管这些稠环SMA已被证明作为第三组分能够实现显著的效率提升，但它们通常需要复杂的多步合成路线和高合成成本，这严重阻碍了OSCs未来的商业化应用。

非稠环电子受体（NFREAs）因其简单的分子骨架、便捷的合成路线和低合成成本，成为平衡低成本和性能的理想候选者[18]、[19]、[20]、[21]。一些近期的研究致力于探索NFREAs作为PM6:Y6基三元OSCs第三组分的应用[22]、[23]、[24]、[25]。例如，Y. Cho等人开发了一种宽带隙NFREA Y-Th2作为PM6:Y6共混物中的客体受体，分别在一阳光和室内光照下实现了16.01%和22.7%的效率[26]。2023年，Z. Zhou等人设计了一种中等带隙的A-D-A'-D-A型NFREA，并将其作为PM6:Y6共混物中的第三组分。通过优化形貌和抑制电荷复合，三元OSC的PCE提高至17.29%[27]。最近，E. Zhou课题组展示了宽带隙苯并三唑基NFREAs作为PM6:Y6三元OSCs高效第三组分的巨大潜力[28]、[29]。发现此类受体可以改善电荷迁移率、优化分子堆积并减少能量损失，从而将三元OSCs的PCE提升至19%以上。

然而，大多数报道的NFREA第三组分是宽带隙材料，无法有效补充PM6:Y6体系在可见光区域的光谱响应，因此无法最大化太阳光子利用。此外，不对称分子设计已在稠环NFAs中得到充分验证，赋予增强的分子间相互作用、较大的偶极矩、减少的电压损失和促进的激子解离[9]、[30]、[31]、[32]。据我们所知，只有一种不对称NFREA被报道作为PM6:Y6体系的客体，通过加速电荷转移和抑制能量损失实现了12%的PCE提升[33]。然而，这种不对称受体IOEH-N2F由于与宿主的吸收光谱重叠，对提高J_SC的能力有限。更重要的是，没有报道定量评估在三元OSCs中引入NFREA第三组分的节省成本潜力。因此，开发新型不对称窄带隙NFREAs，具有香蕉形骨架和简便合成作为PM6:Y6体系的第三组分仍然具有重要意义。

在本工作中，我们采用了一种易于合成的具有不对称结构的NFREA HBTZ作为PM6:Y6体系中的第三组分。系统表征表明，引入HBTZ可以显著增强光子捕获和电荷转移，减少辐射能量损失和电荷复合，增强分子堆积并优化相分离形貌。因此，基于PM6:Y6:HBTZ的三元OSCs在所有光伏参数上同时实现了提升，与二元器件相比实现了18.02%的显著增强的PCE。此外，定量分析证实了引入HBTZ的节省成本和平衡成本效益的效果，平均物性指标降低了10.37%。这些发现表明，将不对称NFREAs作为第三组分制备三元OSCs是提高其光伏性能和成本效益的有效策略。我们的工作不仅凸显了不对称NFREAs作为高性能三元OSCs低成本第三组分的巨大潜力，还为开发具有工业应用潜力的三元OSCs提供了有用的指导。

章节摘要

材料

PM6购自Hyper, Inc.。Y6购自Solarmer, Inc。PEDOT:PSS和ITO基底购自Advanced Election Technology Co., Ltd。PDIN购自Volt-Amp Optoelectronics Tech Co., Ltd。其他溶剂和试剂购自商业来源（Knowles和TCI），未经进一步处理。化合物HBTZ的合成按照我们最近的工作[34]进行。

器件制备

ITO涂覆的玻璃基底（10～15 Ω/sq）依次清洗

结果与讨论

A-D-A'-D-A型NFREA第三组分HBTZ按照我们最近报道的程序[34]以高总收率合成。PM6、Y6和HBTZ的分子结构如图1a所示。值得注意的是，HBTZ的不对称核心产生了6.81 Debye的大分子偶极矩，如我们最近发表的计算结果所揭示[34]。这种不对称构型和较大的偶极矩可以增强

结论

总之，我们通过将一种易于合成的不对称非稠环受体HBTZ引入PM6:Y6宿主体系，成功开发了高性能三元有机太阳能电池。引入HBTZ优化了能级排列、拓宽了光吸收、增强了分子堆积并调控活性层形貌，形成了部分互溶的合金状受体相。这些优势导致电荷复合受抑制、激子解离加速

CRediT作者贡献声明

Haodong Huang：调查研究。Sha Liu：资源、方法论。Yanping Huo：监督、资源。Yonggang Min：撰写–审阅与编辑、监督、资金获取。Mingzhou Luo：撰写–原始稿、调查研究、形式分析、数据管理。Yawen Zheng：方法论、调查研究。Yaocheng Jin：撰写–审阅与编辑、可视化、验证、资源、资金获取。Yuechen Zhou：形式分析。Jingyang Xiao：撰写–审阅与编辑、可视化，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处合理请求获得。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号62404058和51903056）、广州市基础与应用基础研究基金（2023A04J1604）、广东工业大学青年****（263113918）、国家重点研发计划（2020YFB0408100）的资助。

Jingyang Xiao|Mingzhou Luo|Yawen Zheng|Yaocheng Jin|Yuechen Zhou|Haodong Huang|Sha Liu|Yanping Huo|Yonggang Min