有机光伏材料中的聚合物供体与受体：设计与性能优化

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有机光伏材料中的聚合物供体与受体：设计与性能优化 (DOI: 10.1149/2162-8777/ac53f5)

摘要：在有机光伏材料中，聚合物供体和受体的设计是实现高效光电转换的关键。本文将详细介绍聚合物供体和受体材料的最新进展，以及它们在有机光伏器件中的性能优化策略。

图1. 聚合物太阳能电池的工作原理

内容：
1. 聚合物供体材料

• 苯并二噻吩（BDT）基聚合物：
  
  • 结构与性能：BDT单元因其优异的电子供体特性而被广泛研究。通过引入氟原子和烷基侧链，可以调节聚合物的能级和结晶性，从而提高器件性能。例如，PBDT[2F]T和PBDT(T)[2F]T等聚合物在与ITIC受体结合时，展现出超过9%的光电转换效率。
  • 改性策略：氟化和烷基侧链的引入可以降低聚合物的HOMO能级，提高电荷传输效率。例如，PBDT[2F]T的氟化处理使其HOMO能级从-5.2 eV降低到-5.4 eV，显著提高了器件性能。
    
• 苯并三唑（BTA）基聚合物：
  
  • 结构与性能：BTA单元具有较低的HOMO和LUMO能级，适合与非富勒烯受体结合，实现高开路电压和高效率。例如，J51和PTzBI等聚合物在与ITIC和N2200受体结合时，展现出超过12%的光电转换效率。
  • 改性策略：通过引入烷基硫代侧链和硅氧烷基团，可以进一步提高聚合物的结晶性和电荷传输效率。例如，PTzBI-Si在与N2200受体结合时，展现出超过10%的光电转换效率。
    
• 其他供体材料：
  
  • 萘并二噻吩（NBDT）：NBDT单元具有更宽的吸收范围和更高的电荷传输效率，适合用于高效有机光伏器件。例如，PBDTSF-TZNT在与IT-4F受体结合时，展现出超过13%的光电转换效率。
  • 吡咯并苯并三唑（TzBI）：TzBI单元具有较低的HOMO和LUMO能级，适合与非富勒烯受体结合，实现高开路电压和高效率。例如，P2F-EHp在与IT-2F受体结合时，展现出超过12%的光电转换效率。
    
  
  

2. 聚合物受体材料

• 富勒烯衍生物：
  
  • 结构与性能：富勒烯衍生物如PC61BM和PC71BM因其高效的电子传输能力而被广泛使用，但存在吸收范围窄和稳定性差的问题。例如，PC71BM在与P3HT供体结合时，展现出超过5%的光电转换效率。
  • 改性策略：通过引入烷基链和氟原子，可以提高富勒烯衍生物的溶解性和稳定性。例如，CN-PC71BM和FAP1等改性富勒烯衍生物在与P3HT供体结合时，展现出超过7%的光电转换效率。
    
• 非富勒烯受体（NFA）：
  
  • 结构与性能：近年来，基于苯并噻二唑（BT）和萘并二亚胺（NDI）等单元的非富勒烯受体材料取得了显著进展，实现了超过16%的光电转换效率。例如，ITIC和IDIC等非富勒烯受体在与PBDT-TS1供体结合时，展现出超过12%的光电转换效率。
  • 改性策略：通过引入电子吸引基团和扩展π-共轭结构，可以进一步提高非富勒烯受体的吸收范围和电荷传输效率。例如，Y6和IEIC等改性非富勒烯受体在与PM6供体结合时，展现出超过16%的光电转换效率。
    
• 聚合物化小分子受体（PSMA）：
  
  • 结构与性能：通过将小分子受体聚合化，可以改善薄膜形态和光稳定性，同时保持小分子受体的优异光电性能。例如，PZ1和PFBDT-IDTIC等聚合物化小分子受体在与PBDB-T供体结合时，展现出超过10%的光电转换效率。
  • 改性策略：通过引入烷基链和氟原子，可以提高聚合物化小分子受体的溶解性和稳定性。例如，PIDIC2T2Cl在与PM6供体结合时，展现出超过7%的光电转换效率。
    
  
  

3. 性能优化策略

• 能级匹配：
  
  • HOMO和LUMO能级匹配：供体和受体材料的HOMO和LUMO能级需要精确匹配，以实现高效的电荷分离和传输。例如，PBDT-TS1供体的HOMO能级为-5.2 eV，LUMO能级为-3.4 eV，与ITIC受体的HOMO能级-3.8 eV和LUMO能级-4.2 eV匹配良好，实现了高效的电荷分离。
  • 开路电压优化：通过调整供体和受体材料的HOMO能级，可以提高器件的开路电压。例如，PBDT[2F]T供体的HOMO能级为-5.4 eV，与ITIC受体的HOMO能级-3.8 eV匹配良好，实现了超过1.0 V的开路电压。
    
• 形貌控制：
  
  • 溶剂和添加剂：通过优化溶剂和添加剂，可以调控活性层的形貌，提高器件性能。例如，使用氯苯和1,8-辛二硫醇作为溶剂和添加剂，可以显著提高PBDT-TS1:ITIC活性层的形貌和电荷传输效率。
  • 热退火：通过热退火处理，可以进一步优化活性层的形貌，提高器件性能。例如，PBDT-TS1:ITIC活性层在150°C下热退火30分钟，可以显著提高器件的短路电流和填充因子。
    
• 界面工程：
  
  • 界面层材料：在电极和活性层之间引入界面层，可以改善电荷注入和提取效率，提高器件稳定性。例如，使用PEDOT:PSS作为阳极界面层，可以显著提高PBDT-TS1:ITIC器件的短路电流和填充因子。
  • 界面层改性：通过引入烷基链和氟原子，可以进一步优化界面层的性能。例如，使用氟化PEDOT:PSS作为阳极界面层，可以显著提高PBDT-TS1:ITIC器件的开路电压和填充因子。
    
  
  

结语：聚合物供体和受体材料的设计与优化是有机光伏技术发展的核心。通过不断探索新材料和新结构，有望进一步提高有机光伏器件的效率和稳定性，推动其商业化应用。