二聚化小分子在三元有机太阳能电池中实现 18.12% 的效率

为了实现高性能有机太阳能电池 (OSC)，三元 OSC 是一种可行且有效的选择。开发更好的第三种成分对于高效的三元 OSC 非常重要。研究人员为这项研究开发了一种新分子，并发现二聚化小分子可以提高三元 OSC 的效率

新分子表现出互补吸收，能级可与 PM5 和 BTP-eC9 匹配。此外，它还可以控制 PM6:BTP-eC9 排列。在三元器件中使用 PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 可实现更好的激子解离、更少的复合和更好的电荷传输。这进一步提高了功率转换效率，约为 18.26%。这一水平超过了二元 PM6:BTP-eC9 之前的效率 17.63%。

研究目的：展示二聚化小分子供体对三元有机太阳能电池（OSC）的潜力。

二聚化小分子可以提高三元OSC的效率：如何实现的？

研究人员更倾向于有机太阳能电池作为有前途的新进入在光伏技术领域。它具有半透明、柔韧性和轻量化设计等独特优势。随着非富勒烯受体材料和器件制备技术的发展，OSC的光伏性能得到了实质性的提升。

此外，三元方法中采用多组分策略显著提高了器件的功率转换效率 (OCE)。显然，在构建三元 OSC 时向主二元系统添加第三个客体组分具有多种优势。

添加一个适当的第三部分可以保持单结器件的简单加工。这进一步有助于实现更好的短路电流密度 (Jsc)。之后，可以控制有源层的微观形态和结晶度。这进一步促进了激子的解离。它提高了 JSC、填充因子 (FF) 和电荷传输的出色值。

能级排列和非辐射复合也受到影响，并优化开路电压（VOC）。它成为一个额外的传输通道，可以改善电荷传输。

理想的第三组件需要考虑的因素。

补充吸收范围
适当安排能量层
活性层形貌优化

为了有效实现上述因素，设计和开发匹配的第三组件非常重要。此外，还要优化OSC的PV参数。

二聚化小分子在三元有机太阳能电池中实现18.12％的效率 — 图片来源：Science Direct

先前研究的观察关于二聚化小分子作为第三分子

三元非富勒烯 OSC 中的活性层配方涉及添加 2 种不同的供体材料。它们 两者都具有单个受体和单个供体，且具有两种不同的受体材料.

第三组分，如低聚物材料或聚合物，可以发挥重要作用。尽管低聚物供体材料可以有效提高器件效率，但将其作为第三组分的研究却有限。研究表明，使用绿色溶剂处理的低聚物供体材料能够在三元 OSC 中获得更高的 PCE。

本研究设计并合成了一种二聚化小分子供体，由两个不对称小分子供体通过乙烯基连接而成，该二聚化小分子供体被称为DSMD-βV，具有以下特性。

其吸收范围很宽，为300-900nm。
具有最高占据分子轨道（HOMO）能级-5.55eV。
从溶液到薄膜状态具有很强的聚集能力

此外，研究人员采用PM6:BTP-eC9体系作为二元基质，结合二聚化分子的互补吸收，为作为第三组分开发高效的三元有机太阳能电池奠定了良好的基础。

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添加DSMD-βV后实现的品质

增强 PM6:BTP-eC9 基薄膜微观形态的相分离
改善电荷传输和激子解离
绩效提升至18.26%。

结果与讨论：利用二聚化小分子提高三元OSC的效率

合成与表征新设备的

研究人员合成了一种端基被溴取代的不对称小分子供体，得到了化合物（9），然后利用该化合物与乙烯基通过Stille偶联反应合成了目标产物DSMD-βV。

研究人员以Pd2(dba)3为催化剂，P(o-tol)3为配体，目标产物DSMD-βV可溶于氯仿(CF)和氯苯(CB)溶剂，且在高达374°C的温度下仍保持热力学稳定，且重量损失极小，约为5%。目标材料的这些特性对于满足器件制造过程中的加工要求至关重要。下图显示了二聚化小分子供体DSMD-βV的详细合成过程。

二聚化小分子可以提高三元OSC的效率 — 图片来源：Science Direct

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光学和电化学特性

利用紫外可见吸收光谱对DSMD-βV的光学性质进行了研究，如下图所示。相应的数据如下表所示。

分子	ε (M^{- 1} cm^{- 1})	λ_{峰顶、太阳} （纳米）	λ_{高峰, 电影} （纳米）	λ_{电影, 开始} （纳米）	E_g，选择（电子伏特）	E_HOMO （电子伏特）	E_LUMO （电子伏特）
DSMD-βV	1.20×10⁵	447，659	536，744	858	1.45	- 5.55	- 3.55

观察

在 溶液状态, DSMD-βV 表现出宽 吸收范围为 350-800 nm 具有2个特征吸收带。
吸收范围的长波长区域表明分子内电荷转移过程。
独特的吸收带可归因于局部的π-π*电子跃迁。
DSMD 的最大摩尔吸光系数βV 被确定为 1.20×105 米−1 厘米−1 根据 Lemberger 定律。
在 电影状态DSMD-βV 的吸收光谱显示 80 纳米红移 比溶液状态更佳。
此外，长波长吸收峰的强度也有所增加。
根据 DSMD-βV 薄膜吸收边，计算出的光学间隙 (Eg, opt) 为 1.45 eV.
DSMD-βV表现出一定的聚集行为，研究人员认为其可以调控活性层形貌。
在 350-570 nm 和 640-780 nm 波长范围内，观察到 PM6 和 BTP-eC9 之间优异的吸收互补性。

快速注意 – 优异的吸收互补性对于提高三元器件的短路密度具有重要意义。

二聚化小分子的光学和电化学特性在三元有机太阳能电池中实现18.12％的效率 — 图片来源：Science Direct

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实验中使用的不同方法

研究人员还表征了温度依赖性吸收，以评估 DSMD-βV 在溶液中的聚集特性。
并利用循环伏安法(CV)测定了DSMD-βV的能级。
HOMO 能级约为 -5.55 eV，是根据初始氧化过程的起始电位通过 CV 曲线计算得出的。
初始还原电位用于得出最低未占据分子轨道 (LUMO) 能级，估计为 -3.55 eV。
此外，HOMO 和 LUMO 能级位于 PM6 和 BTP-eC9 之间，这允许在三元共混体系中实现级联能级排列。

形态分析

有一个 活性层形貌与器件整体性能之间存在密切而直接的关系。它在确定OSC的效率方面起着重要作用。为了充分了解添加DSMD-βV对形态特性的影响，研究人员对3种不同的薄膜混合物进行了全面研究。这背后的主要目的是深入了解由于添加DSMD-βV而产生的影响。

观察

原子力显微镜(AFM)结果表明，在二元体系中添加DSMD-βV可以有效调控活性层微观形貌特性。
此 均方根粗糙度 （RMS）三种薄膜的平均值分别为：DSMD-βV:BTP-eC9（1.43）、PMT:BTP-eC9（1.48）和PM6:DSMD-βV:BTP-eC9（1.28）。 快速注意：较小的 RMS 值表明 DSMD-βV 与宿主系统兼容混合。
A 观察到均匀的表面形貌 PM6：DSMD-βV：BTP-eC9基三元共混薄膜的耐久性优于PM6：BTP-eC9基薄膜。
根据透射电子显微镜 (TEM)， 明显的相分离 在DSMD-βV:BTP-eC9基薄膜中观察到了形态。
在宿主 PM6:BTP-eC9 体系中引入客体分子 DSMD-βV 后， 相分离增强 PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 基薄膜。
有可能 改善激子解离和电荷传输 实现更好的 JSC 和 FF，增强堆叠和相分离。

因此，基于这些信息，研究人员证明了客体分子具有作为第三种成分的潜力。而且，具体来说，它可以调节活性层的微形态特性。

形貌分析：二聚化小分子在三元有机太阳能电池中实现18.12%效率 — 图片来源：Science Direct

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添加 3 后光伏的性能^rd 分子

研究人员采用不同的活性层制作并研究有机太阳能电池器件，分别为PM6:DSMD-βV:BTP-eC9、PM6:BTP-eC9、DSMD-βV:BTP-eC9，器件结构由ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINN/Ag组成，下图为表征后的PV性能和JV曲线数据。

设备	V_OC （五）	J_SC (毫安厘米^{- 2})	韓國（％）	PCE ^a （％）	J_石灰 (毫安厘米^{- 2})
DSMD-β五、BTP-eC9	0.817	5.22	33.36	1.42 (1.31±0.11)	5.51
PM6:BTP-eC9	0.838	27.02	77.82	17.63 (17.53±0.09)	26.33
PM6:DSMD-β五、BTP-eC9	0.846	27.46	78.59	18.26 (18.15±0.06)	26.54

观察

随着客体分子加入到PM6：BTP-eC9体系中，FF、VOC和JSC都有所改善。
由于 HOMO 能级较低，VOC 显示出改善。
此外，由于活性层结构和能级的优化，JSC和FF也得到了改善。
PM6：DSMD-βV：BTP-eC9器件的功率转换效率（PCE）达到了18.26%。
基于DSMD-βV:BTP-eC9和PM6:DSMD-βV:BTP-eC9的器件在300-1000nm波长范围内实现了外部量子效率（EQE）曲线，如下图所示。
PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 三元器件 EQE 曲线比基于 PM6:BTP-eC9 的器件曲线轮廓更高。这表明器件的光子捕获能力得到改善，从而导致 JSC 增强。

此外，为了了解三元 OSC 中的 FF 和 JSC 增强，研究人员分析了该设备的物理特性。然后，通过关联 VOC 和不同的 Plight，研究人员研究了陷阱辅助复合。

总体而言，DSMD-βV 的引入有效减少了陷阱辅助复合，从而实现了卓越的 JSC。
电荷传输能力进而影响设备的性能。
由于三元器件的迁移率均衡且良好，获得了更高的FF、PCE和JSC。
引入 DSMD-βV 可以更好地抑制电荷传输过程中的电荷复合。这可以进一步增强 JSC。
DSMD-βV:BTP-eC9 器件中载流子寿命较长，但载流子提取能力较慢，这会引起复合，导致光伏性能不佳。

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瞬态光电流 (TPC) 和瞬态光电压 (TPV) 测试

研究人员通过TPC和TPV测试研究了载流子提取时间和载流子寿命。

观察

影片类型	DSMD-βV:BTP-eC9	PM6:BTP-eC9	PM6:DSMD-βV:BTP-eC9
TPC 曲线 – 萃取时间 (ts)	0.77μs	0.62μs	0.66μs
TPV 曲线 – 萃取时间 (ts)	0.50μs	0.24μs	0.23μs

结语

因此，研究人员得出结论，由 2 种小分子供体组合而成的新开发的供体材料 DSMD-βV 具有多种特性。它具有宽吸收范围、强聚集能力和低 HOMO 能级。与 BTP-eC9 和 PM6 器件相比，新开发的器件具有互补的吸收和能级排列。此外，它使性能提高了 18.26%，高于二元器件。因此，可以得出结论，二聚小分子供体具有使三元 OSC 高效的潜力。

来源: 二聚化小分子供体可实现高效的三元有机太阳能电池

二聚化小分子在三元有机太阳能电池中实现18.12％的效率