資料介紹
有機太陽能電池受體材料1.1 富勒烯衍生物受體材料富勒烯是不同數(shù)目的非平面的五元環(huán)和六元環(huán)構(gòu)成的封閉式的籠狀分子 的 統(tǒng) 稱。富勒烯屬于缺電子烯,三 維 共 軛 的電子結(jié)構(gòu)使得其具有良好的得電子能力和光電傳輸性能,因此常用于有機太陽能電池的受體材料。1995年,Wudl研 究 小 組 首 次 合 成 了 C60 富 勒 烯 衍 生 物PCBM[1],并將其應(yīng)用于有機太陽能電池中。此后,PCBM 成為最受歡迎的有機太陽能電池受體材料。Li等[2]將其與最具代表性的給體材料 P3HT 共 混 后,得到了光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)為4.4 %的光 電 器 件。由 于 PCBM 的優(yōu) 越 性 能,人 們在 PCBM 的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了一些改變,研制出一系列與PCBM 結(jié)構(gòu)相似的受 體 材 料。Hummelen等通過改變碳籠結(jié)構(gòu),用 C70,C84代替 C60制備了 PC70BM[3],PC84BM[4]。研究發(fā)現(xiàn),PC70BM 在可見光區(qū)的吸收比 PCBM 明顯 變 強,光 電 轉(zhuǎn) 換效率也比 PCBM 有所增強。最近報道的高效率太陽能電池采用的受體均為 PC70BM。Zhang等[5]改變 PCBM 的苯環(huán)結(jié)構(gòu),將苯環(huán)換成三苯胺或芴,合成了新的受體材料 TPA-PCBM 和MF-PCBM。Zheng等[6]用不同長度的烷基鏈取代 PCBM 的甲酯基得到了一系列受體材料,如:PCBB、PCBD 等。其中,將PCBB與 MEH-PPV 共混后得 到 的 光 電 器 件 在 AM2.5下照射的 PCE為2.48 %,這比相同條件下 PCBM(2.0 %)要高得多(富勒烯衍生物受體材料的結(jié)構(gòu)見圖1)。
雖然類似 PCBM 的受體材料在有機太陽能電池的研究中占據(jù)重要地位,但一些非 PCBM 結(jié)構(gòu)的富勒烯衍生物受體材料也具有優(yōu)良的性能。李永舫研究小組合成了一類完全不同于 PCBM 結(jié)構(gòu)的新型高效率富勒烯受體材料:茚的雙加成 C60富勒烯 衍 生 物IC60BA、IC70BA,將其 與 P3HT 制成 器 件 后 的PCE分別達到了6.48 %[7]和5.64 %[8]。經(jīng)過一系列的工藝等的改 造,Dou 等[9]將 IC60BA 制成疊層結(jié)構(gòu)光 伏器件,其PCE提高到了8.6 %。2012年,Meng等[10-11]合成了二氫化奈類富勒 烯 NC60BA和 NC70BA。研究發(fā)現(xiàn),NC60BA 和 NC70BA 的LUMO 能級比PCBM 高,分別高0.17eV 和0.2eV,而且 NC70BA 在可見光區(qū)域內(nèi)有著更強的吸收和更寬的吸收范圍。以 之 為 受 體,與P3HT制成光伏器件的開路電壓 Voc可提 高 到 0.83V,PCE達5.95 %。而同樣條件下,PCBM 與 P3HT制成的光伏器件的 PCE只有3.74 %。為了研究取代基對二氫化萘富勒烯衍生物制成的光伏器件的 PCE 的影 響,Deng等[12]合成 了 一 系列二氫 化 萘 類 富 勒 烯 衍 生 物:MDNC,Bis-MDNC,BDNC,BoDNC,HDNC 和 EDNC,并將它們制成有機光伏器件。結(jié)果表明:富勒烯受體的分子結(jié)構(gòu)可能會影響有機太陽能電池的PCE。雙加成物 Bis-MDNC比其他單加成物在可見光區(qū)域具有更強 的 吸 收,LUMO 能 級 也 較 高。因 此 用 Bis-MDNC 與P3HT制成的器件的效率也相對較高,達到了4.58 %[12]。1.2 苝二酰亞胺衍生物受體材料苝二酰亞胺及其衍生物在可見光區(qū)域有很強的吸收并具有較高的光和熱穩(wěn)定性,最初被大規(guī)模地用作有機功能染料。后來,人們發(fā)現(xiàn)苝二酰亞胺類分子具有較大的 π-π共軛 結(jié) 構(gòu),因此其分子具有較高的電子遷移率和電子親和勢?;?于 以 上特點,苝二酰亞胺及其衍生物成為在光電材料領(lǐng)域研究中較為熱門的一類電子受體材料(苝二酰胺類受體材料的結(jié)構(gòu)見圖2)。
圖2 苝二酰亞胺類受體材料的結(jié)構(gòu)
1986年,Tang[13]首次 報 道 了 以 N,N′-二苯 并 咪 唑-3,4,9,10-四羧酸苝二酰亞胺(PBI)為n型半導(dǎo)體材料,酞菁銅為 p型半導(dǎo)體材料制備的異質(zhì)結(jié)光伏電池,其光電轉(zhuǎn)換效率達到1%。此后,苝二酰亞胺衍生物作為一種優(yōu)秀的 n型 半 導(dǎo) 體 材料受到了廣泛的關(guān)注和研究。1998年,Gregg研究 組[14-15]通過在苝酰亞胺 N 原子位置上引入烷基鏈、烷氧基鏈等取代基,合成并研究了一系列具有液晶態(tài)的苝酰 亞胺衍生物分子。2001年,Friend研 究 小 組[16]將另一種苝酰亞胺衍生物 EP-PTC與小分子給體材 料 HBC-PhC12共混制備了異質(zhì)結(jié)光伏器件,使該器件 的 PCE 達到 1.95 %。2006年,Roncali研究小組[17]用苝酰亞胺 DP13與給體材料共混后也得到了光伏性能較好的光伏器件。2012,Mikroyannidis等[18]合成 了 一 種 新的苝二酰亞胺衍生物受體材料 PERI,將其 與 給 體 材 料 Se-SM共筑的器件 的 效 率 達 到 1.28 %。經(jīng)過 退 火 優(yōu) 化 后,器 件 的PCE提高到了3.88 %。雖然較大的π-π共軛結(jié)構(gòu)使得苝酰亞胺及其衍生物具有較高的電子遷移率和電子親和勢,但是也大大降低了它在常用溶劑中的溶解度。解決這一問題[19]的方法主要有:(1)增加苝酰亞胺的大π鍵程度(合成如 PBI以類的分子);(2)增加苝酰亞胺分子上的柔性鏈長度或支化程度來提高其溶解度。作為一種重要的電子受體材料,苝酰亞胺及其衍生物同 PCBM相比還有不少差 距,但在高效率的有機光伏電池中扔發(fā)揮著重要的作用。
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