非富勒烯有机太阳能电池中的受体梯度聚合物给体

摘要： 在有机太阳能电池中，通过减小共混给体与受体的电离能或电子亲和能差值来最大化开路电压（VOC），往往以牺牲可观的短路电流（JSC）为代价。为探究规避这种权衡的材料设计假说，我们合成了八种结构相似的聚合物——包含氟化/非氟化苯并噻二唑（BTDF/BTD）强受体单元、噻吩酯（TE）弱受体单元，以及由双噻吩（T2）、biEDOT和苯并二噻吩（BDT）构成的多种给体单元，最终形成六种受体梯度聚合物与两种非梯度聚合物。该受体梯度结构通过TE桥接组分，在强BTD受体与不同给体单元间构建更分离的分子内电荷转移态，理论上能促使低驱动力太阳能电池实现更简易的激子解离。将这八种聚合物与苯基-C71-丁酸甲酯（PC71BM）共混制备电池后，发现两种同分异构体聚合物T2-BTDF-(TE2)和TE2-BTDF-(T2)性能最优，进一步测试其与EH-IDTBR、ITIC和ITIC-4F等非富勒烯受体（NFA）的匹配效果。为获得最佳性能，发现0.2 eV的电离能差值对NFA电池的短路电流至关重要——差值过小会导致电流急剧衰减。最终采用ITIC-4F分别与两种最优聚合物配对，制得平均光电转换效率（PCE）为7.3%的非梯度TE2-BTDF-(T2)电池和3.6%的梯度T2-BTDF-(TE2)电池。由于难以同时实现极小电离能/电子亲和能差值与理想形貌结构，受体梯度效应未能显著降低NFA电池中的电荷复合。本研究强调准确测定电离能与电子亲和能对表征电池能量特性的重要性——差值仅0.1 eV的微小差异就可能对整体电荷收集产生重大影响。