利用“氢键”改善有机太阳能电池的性能

来源：X一MOL资讯

作为一种清洁的可再生能源技术，体异质结有机太阳能电池具有成本低、质量轻、机械柔性良好、可大面积制备和原材料丰富等独特优势，成为近年来国内外能源器件研究和光电材料研究的前沿和热点。随着器件效率的不断更新，越来越多的研究者将其研究的重点放在如何将有机太阳能电池推广到实际应用中。这就要求在提高有机太阳能电池效率的同时，需满足低制造成本、良好的环境稳定性、对材料组份浓度及薄厚厚度不敏感、制备过程环保等条件。目前，大多数报道的策略在提升效率的同时可以实现商业化生产的部分需求，而很少有报道可以同时满足上述需求。因此，构建新型的有机太阳能电池在提高器件光电转换效率的同时使其具备环保、稳定、制备参数容忍度高等特性具有重要的研究意义。

图1. (a) PTB7-Th, PC71BM和DIBC的分子结构；(b)单体及共混薄膜状态下的傅立叶红外光谱；(c)DIBC:PC71BM的二维核磁谱图。

最近，电子科技大学陶斯禄教授团队针对上述重要问题，巧妙利用分子间氢键作用成功制备了基于绿色溶剂的高性能有机太阳能电池。氢键，作为一种中等强度的分子间作用力，具有良好的方向性及成键选择性，在成膜过程中可以通过自组装诱导分子有序排布，进而从光学、电学、形貌学等方面改善器件性能。以经典的聚合物/富勒烯（PTB7-Th:PC71BM）体系为例，通过引入第三元有机小分子DIBC，与PC71BM形成分子间氢键作用，从而提高了受体材料的静电势，增大了给/受体分子间的电势差，促进了激子的有效解离。基于该策略的有机太阳能电池的光电转换效率从9.69%提升到12.17%，器件的填充因子也从64.56%提升至74.37%。由于DIBC与主体系材料之间良好的混溶性，当掺杂浓度从5%变化到30%，该系列三元器件均保持优异的性能。此外，分子间氢键的存在可以有效地抑制受体材料的聚集效应，调控给/受体材料的接触面，在提高三元器件环境稳定性的同时，赋予器件对薄膜厚度不敏感的特性。当活性层厚度从90 nm增加至280 nm，器件的光电转换效率仍保持在10.78%以上。该项研究工作为制备高效率有机太阳能器件的全面发展提供了新的思路。

图2. (a) 二元器件和三元器件的J-V曲线；(b)氢键对器件稳定性的影响；(c)形成氢键的分子结构图及存在氢键的影响。

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是电子科技大学博士研究生杜晓扬。电子科技大学为第一通讯单位。该工作得到国家自然科学基金委、四川省科技厅基金项目的大力支持。