二酮吡咯小分子光伏的卤化效应

【引言】

       有机太阳能电池具有成本低、体积小、重量轻、机械弹性好等优点，在可再生能源领域具有广阔的应用前景。由于新供体材料和界面层的快速发展，以及器件制造技术的进步，聚合物有机太阳能电池的功率转换效率显著提高，单节效率可达9%以上，串联器件的功率转换效率可达11%以上。与聚合物给体材料相比，可溶解加工的小分子已成为广泛研究的聚合物材料的一种有吸引力的替代品，它具有分子结构清晰、分子量确定、纯度较高和良好的批次重现性等独特的优点。

【成果介绍】

       Hao-Li Zhang等人设计合成了两个含有ZX二酮吡咯和两个低噻吩单元的分子。通过比较末端含有F原子（FDPP）和末端含有Cl原子（CDPP）的分子，我们可以评估卤化作用对小分子有机太阳能电池光伏性能的影响。在10 °C min^-1的升温速率下，使用Linseis的同步热分析仪STA PT 1600在氮气流中进行了热重分析。采用末端含有F原子的小分子有机太阳能电池器件，其膜的功率转换效率高达4.32%，说明氟化是构建小分子有机太阳能电池小分子的有效方法。

图文导读

图1.FDPP、CDPP和SMDPPEH的化学结构式

图2.FDPP、CDPP和SMDPPEH的（a）TGA曲线和（b）DSC曲线

图3.FDPP、CDPP和SMDPPEH在CHCl₃溶液和薄膜中的紫外吸收光谱，（b）不同处理的FDPP：PC₇₁BM共混膜的紫外吸收光谱

图4.不同处理的（a）CDPP：PC₇₁BM共混膜和（b）SMDPPEH：PC₇₁BM共混膜的紫外吸收光谱

图5.密度泛函理论计算的（a）FDPP、CDPP、SMDPPEH和PC₇₁BM的电子能级和（b）FDPP、CDPP、SMDPPEH的HOMO能级与LUMO能级的电子密度

图6.热退火后再进行溶剂蒸汽退火活动层的AFM图像：（a）FDPP，（b）CDPP，（c）SMDPPEH；扫描尺寸3μm×3μm

图7.三种含二酮基吡咯化合物的（a）纯空穴器件和（b）纯电子器件的电流电压特性

图8.以FDPP、CDPP、SMDPPEH为供体，PC₇₁BM为受体，经热退火后再进行溶剂蒸汽退火处理后的（a）电流密度电压曲线和（b）外量子效率曲线。

【结论】

       Hao-Li Zhang等人设计并合成了两种新型的可溶解可加工的有机异质结太阳能电池小分子。F原子或Cl原子取代对光学吸收和前沿轨道能级有相似的影响。然而，卤化作用对光电池的热性能、薄膜形貌和光电性能有显著影响。氟化分子FDPP具有较高的溶解度和较强的结晶倾向，以及较好的薄膜形貌，功率转换效率Z高为4.32%。但是氯化分子CDPP的热稳定性降低，溶解度降低，使得薄膜质量变差，导致器件性能较差。究表明，将氟原子引入小分子骨架的末端段，可以有效地提高异质结小分子有机太阳能电池的光伏性能。

附：

1、林赛斯同步热分析仪STA用于测定-150℃到2400℃样品的质量和热量随温度或时间变化的过程。性能优越，可搭载双炉体，

2、仪器可选配42位自动进样器，以及自动气体控制系统或真空控制系统，可在无人值守情况下长期工作。