小分子给体桥联单元烷基链取代位置对光伏器件性能的影响

doi:10.7503/cjcu20230180

摘要/Abstract

摘要：

设计合成了2个同分异构体小分子给体C2-C-F和C2-M-F, 二者仅中间桥联三噻吩单元上烷基链的取代位置不同. 研究结果表明, 烷基链取代位置对其吸光性能和能级影响较小, 但对与受体BTP-4F-12共混后的活性层形貌具有较大影响. 其中, 小分子给体C2-C-F与受体BTP-4F-12共混的薄膜获得了较好的形貌, 光伏器件效率达到12.84%. 研究结果表明, 可以通过烷基取代的位置来精细调控活性层的形貌, 为高效小分子给体的设计提供了有益的参考.

关键词: 全小分子有机太阳能电池, 烷基链, 小分子给体

Abstract:

Two isomeric small molecule donors， C2-C-F and C2-M-F， with only the different substitution positions of the alkyl chains on the intermediate bridged trithiophene units， were designed and synthesized. It was found that the alkyl chain substitution position has little effect on their absorptions and energy levels， but has a significant impact on the morphology of the active layers when blended with the acceptor BTP-4F-12. Better morphology was obtained for the active layer based on small molecule donor C2-C-F， and an efficiency of 12.84% was achieved for the C2-C-F-based photovoltaic device. This result indicates that the morphology of the active layer can be finely regulated through the alkyl substitution positions， providing a useful avenue for the design of efficient small molecule donors.

Key words: All-small-molecule organic solar cell, Alkyl chain, Small molecule donor

中图分类号:

O649.5

TrendMD:

郭子琦, 焦灿灿, 吴思敏, 孟令贤, 孙延娜, 柯鑫, 万相见, 陈永胜. 小分子给体桥联单元烷基链取代位置对光伏器件性能的影响. 高等学校化学学报, 2023, 44(9): 20230180.

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图/表 5

Fig.1 Chemical structures(A), energy level diagrams(B), normalized UV⁃Vis absorption spectra(C) and 2D GIWAXS of neat film(D) of C2⁃C⁃F, C2⁃M⁃F and 1D plots of the neat films in thein⁃plane and out⁃of⁃plane direction(F)

Fig.2 Chemical structure of BTP⁃4F⁃12(A), conventional device structure of ASM⁃OSCs(B), J⁃V curves of optimized ASM⁃OSCs based on C2⁃C⁃F and C2⁃M⁃F with TA treatment at 120 ℃ for 5 min under one sun illumination(AM 1.5 G 100 mW/cm2)(C) and EQE spectra of the corresponding devices(D)

Table 1 Optimized photovoltaic data of C2-C-F and C2-M-F based devices under the illumination of AM 1.5G(100 mW·cm‒2)

Active layer	V_oc/V	FF（%）	J_sc/（mA·cm^‒2）	J $s c E Q E$ /（mA·cm^‒2）	PCE^*（%）
C2⁃C⁃F∶BTP⁃4F⁃12	0.871（0.871±0.002）	62.32（62.34±0.62）	23.68（22.99±0.28）	22.91	12.84（12.48±0.16）^*
C2⁃M⁃F∶BTP⁃4F⁃12	0.889（0.885±0.003）	59.51（58.35±0.01）	21.57（21.52±0.41）	20.98	11.41（11.11±0.16）^*

Table 1 Optimized photovoltaic data of C2-C-F and C2-M-F based devices under the illumination of AM 1.5G(100 mW·cm‒2)

Active layer	V_oc/V	FF（%）	J_sc/（mA·cm^‒2）	J $s c E Q E$ /（mA·cm^‒2）	PCE^*（%）
C2⁃C⁃F∶BTP⁃4F⁃12	0.871（0.871±0.002）	62.32（62.34±0.62）	23.68（22.99±0.28）	22.91	12.84（12.48±0.16）^*
C2⁃M⁃F∶BTP⁃4F⁃12	0.889（0.885±0.003）	59.51（58.35±0.01）	21.57（21.52±0.41）	20.98	11.41（11.11±0.16）^*

Fig.3 PL spectra of neat films of two donors and blend films excited at 540 nm (A) and neat film of BTP⁃4F⁃12 and blend films exited at 780nm(B), Jphvs.Veff measurement of the devices(C), dependence of Voc(D) and Jsc(E) on light intensity(Plight) of two optimized ASM⁃OSCs

Fig.4 AFM images for the blend films based on optimal C2⁃C⁃F∶BTP⁃4F⁃12(A) and C2⁃M⁃F∶BTP⁃4F⁃12(B), 2D⁃GIWAXD diffraction images of C2⁃C⁃F∶BTP⁃4F⁃12(C) and C2⁃M⁃F∶BTP⁃4F⁃12(D) blend films and 1D plots of the blend films in the in⁃plane and out of plane direction(E)

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