高性能有机小分子光伏给体材料研究进展

doi:10.6023/cjoc202403026

摘要/Abstract

作为传统化石能源的替代之一, 光伏能源的发展对碳中和及碳达峰目标的完成至关重要. 相对于传统无机类太阳能电池(如单晶硅等), 有机太阳能电池(OSCs)具有成本低、重量轻、可弯曲以及便于大面积印刷制备等优点, 加上小分子光伏材料良好的批次间性能一致性, 使得有机小分子OSCs在近五年内得到了迅猛发展. 作为OSCs活性层材料的重要组成之一, 给体材料的作用举足轻重. 系统回顾了近年来几类较有潜力的高性能小分子给体材料, 通过相关研究进展分析总结了各类材料在分子设计、器件构筑以及形貌调控方面的特点与趋势. 在此基础上, 总结了当前有机小分子光伏材料研究领域存在的主要挑战与问题, 并对相关领域未来发展提出了展望.

关键词: 有机太阳能电池, 小分子光伏给体, 光电转换效率, 分子设计

As a promising alternative to fossil energy, the development of photovoltaic energy is pivotal to the completion of carbon neutrality. Comparing with traditional inorganic solar cells (e.g. monocrystalline silicon based solar cell), organic solar cells (OSCs) exhibit unique advantages such as low cost, light weight, flexibility and convenient large-area printing, along with the high batch-to-batch performance consistency of small molecule photovoltaic materials, which promotes the rapid development of small molecule OSCs in last five years. As one of the most important components of OSCs, the donor materials play a decisive role in determining the performance of corresponding photovoltaic devices. Several series of promising small molecule donor materials with high performance have been reviewed systematically. The characteristics and trends of these materials in molecular design, device construction and morphology control are summarized through the analysis of relevant research progress. Moreover, the main challenges and problems in the current research field of organic small molecule photovoltaic materials are summarized, and prospects for the future development of related fields are put forward.

Key words: organic solar cell, small molecule photovoltaic donor material, power conversion efficiency, molecular design

引用此文

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图/表 2

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1	－5.60/－3.75	C60	3.09	[48]	ZnP-TBO	－5.18/－3.81	6TIC	12.08	[79]
2	－5.63/－3.80	C60	2.93		ZnP-TBO	－5.18/－3.81	6TIC:4TIC	14.73	[80]
3	－5.58/－3.80	C60	2.53		ZnP-TSEH	－5.20/－3.82	6TIC:4TIC	15.88	[80]
T3	－5.26/－3.58	PC₇₁BM	6.15	[49]	ZnP-TSEH	－5.20/－3.82	6TIC:4TIC	17.18	[81]
DCN7T	－5.1/－3.4	PC₆₁BM	3.7	[51]	DR3TBDT	－5.02/－3.27	PC₇₁BM	7.38	[82, 83]
DCAO7T	－5.13/－3.26	PC₆₁BM	5.08	[52]	DR3TBDTT	－5.02/－3.27	PC₇₁BM	8.12
DERHD7T	－5.21/－3.68	PC₆₁BM	6.1	[53]	DR3TBDTT-HD	－5.06/－3.29	PC₇₁BM	6.79
DERHD7T	－5.21/－3.68	PC₇₁BM	4.35	[54]	DR3TBDT2T	－5.07/－3.29	PC₇₁BM	8.02
DRCN7T	－5.08/－3.44	PC₇₁BM	9.3	[54]	SBDT-BDD	－5.25/－3.55	IDIC	9.2	[84]
DRCN5T	－5.22/－3.41	PC₇₁BM	10.08	[55]	SBDT-BDD	－5.25/－3.55	IDIC:PC₇₁BM	10.9	[84]
DRCN5T	－5.32/－3.63	F-0Cl	5.49	[56]	DRTB-FT	－5.64/－3.61	F-2Cl	7.66	[85]
DRCN5T	－5.32/－3.63	F-1Cl	8.12		DRTB-T	－5.51/－3.34	F-2Cl	10.76	[85]
DRCN5T	－5.32/－3.63	F-2Cl	9.89		BTEHR-CT	－5.56/－3.47	F-2Cl	11.13	[86]
DRCN7T	－5.08/－3.44	Y6	2.48	[57]	BTEHR-CT	－5.56/－3.47	F-2Cl:PC₇₁BM	12.05	[86]
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2Cl7T	－5.39/－3.64	Y6	11.45		BSFTR	－5.28/－3.19	FO-2Cl	15.27	[42]
2Cl7T	－5.33/－3.59	eC9-4F	12.55	[58]	BSFTR	－5.28/－3.19	FO-EH-2Cl	15.78	[42]
Tz6T	－5.35/－3.65	eC9-4F	15.38	[58]	BTR	－5.34/－3.53	PC₇₁BM	9.3	[88]
Tz6T	－5.35/－3.65	eC9-4F	16.0	[59]	BTR	－5.34/－3.53	Y6	10.67	[89]
Tz6T-P	－5.37/－3.76	eC9-4F	14.7	[60]	BTR-Cl	－5.46/－3.70	Y6	13.61	[89]
Tz6T-iP	－5.29/－3.64	eC9-4F	15.7	[60]	BTR-Cl	－5.42/－3.70	Y6	13.81	[90]
4	－5.28/－3.68	PC₆₁BM	4.8	[61]	BTR-Cl	－5.42/－3.70	Y6	15.34	[90]
5	－5.28/－3.64	PC₆₁BM	5.6		SMDPP	－5.12/－3.72		1.73	[91]
6	－5.27/－3.67	PC₆₁BM	4.6		S-SMDPP	－5.16/－3.72		2.52
7	－5.30/－3.75	PC₆₁BM	4.4		SF-SMDPP	－5.18/－3.72		2.04
8	－5.31/－3.75	PC₆₁BM	6.1		B1	－5.37/－3.51	BO-4Cl	15.3	[92]
9	－5.30/－3.73	PC₆₁BM	6.1		B1	－5.37/－3.51	BO-4Cl:L8-BO	17.10	[93]
9	－5.30/－3.73	PC₇₁BM	7.1	[62]	TB	－5.28/－2.76	L8-BO	15.8	[94]
8	－5.31/－3.75	PC₇₁BM	7.63	[63]	TB-F	－5.31/－2.80	L8-BO	17	[94]
10	－5.25/－3.78	PC₇₁BM	8.22	[63]	T4	－5.22/－3.52	N3	12.61	[95]
9	－5.30/－3.73	PC₇₁BM	7.74	[64]	T6	－5.35/－3.53	N3	16.03	[95]
11	－5.28/－3.70	PC₇₁BM	8.16	[65]	SW1	－5.42/－3.43	Y6	12.90	[96]
12	－5.33/－4.08		4.21	[66]	SW2	－5.47/－3.45	Y6	15.51	[96]
13	－5.30/－4.03		2.74	[67]	BO-1	－5.30/－3.51	BTP-eC9	16.79	[97]
14	－5.32/－4.06		3.34	[66]	HD-1	－5.31/－3.46	BTP-eC9	17.19
15	—		5.2	[68]	OD-1	－5.36/－3.48	BTP-eC9	15.18
DTS(PTTh₂)₂	－5.2/－3.6	PC₇₀BM	6.7	[69]	HD-1	－5.31/－3.46	BTP-eC9	17.73	[98]
p-DTS(FBTTh₂)₂	－5.1/－3.3	PDI	3.1	[70]	DTBDT-Rho	－5.11/－3.14	PC₇₁BM	7.1	[99]
L-MDPBI	－5.20/－3.61		1.70	[71]	ZR1	－5.32/－3.53	Y6	14.34	[100]
F-MDPBI	－5.30/－3.59		4.89	[71]	ZR1	－5.32/－3.53	IDIC-4Cl	9.64	[100]
G17:D18-Cl	－5.39/－3.60	Y6	17.13	[72]	ZR1-Cl	－5.50/－3.60	IDIC-4Cl	10.81	[101]
G19:D18-Cl	－5.30/－3.53	Y6	18.53	[72]	ZR1-S-Cl	－5.56/－3.60	IDIC-4Cl	12.05	[101]
DHTBTEZP	－5.2/－3.9	PC₇₁BM	4.02	[73]	MPhS-C2	－5.35/－3.45	BTP-eC9	16.97	[102]
Por-1(DHTBTEZP)	－5.2/－3.9	PC₇₁BM	4.15	[74]	MPhS-C4	－5.39/－3.45	BTP-eC9	15.63
Por-2	－5.18/－3.39	PC₆₁BM	4.78	[74]	MPhS-C6	－5.35/－3.43	BTP-eC9	16.05
DPPEZnP-O	－5.07/－3.60	PC₆₁BM	7.23	[35]	MPhS-C2	－5.35/－3.45	SSe-NIC	16.83	[43]
DPPEZnP-TEH	－5.14/－3.76	PC₆₁BM	8.08	[75]	MPhS-C2	－5.35/－3.45	BTP-eC9:SSe-NIC	18.02	[43]
4a	－5.19/－3.59	PC₇₁BM	3.21	[76]	FBD-S1	－5.43/－3.52	Y6	11.5	[103]
4b	－5.15/－3.60	PC₇₁BM	5.07		TBD-S2	－5.41/－3.50	Y6	13.1	[103]
4c	－5.12/－3.52	PC₇₁BM	7.7		FBD-S3	－5.29/－3.13	Y6	12.53	[104]
PTTR	－5.14/－3.56	PC₇₁BM	7.66	[77]	TBD-S4	－5.31/－3.14	Y6	15.1	[104]

Donor	HOMO/LUMO/eV	Acceptor	PCE/%	Ref.	Donor	HOMO/LUMO/eV	Acceptor	PCE/%	Ref.
DCV5T	－5.61/－3.74	C60	3.47	[47]	PTTCNR	－5.17/－3.63	PC₇₁BM	8.21	[78]
1	－5.60/－3.75	C60	3.09	[48]	ZnP-TBO	－5.18/－3.81	6TIC	12.08	[79]
2	－5.63/－3.80	C60	2.93		ZnP-TBO	－5.18/－3.81	6TIC:4TIC	14.73	[80]
3	－5.58/－3.80	C60	2.53		ZnP-TSEH	－5.20/－3.82	6TIC:4TIC	15.88	[80]
T3	－5.26/－3.58	PC₇₁BM	6.15	[49]	ZnP-TSEH	－5.20/－3.82	6TIC:4TIC	17.18	[81]
DCN7T	－5.1/－3.4	PC₆₁BM	3.7	[51]	DR3TBDT	－5.02/－3.27	PC₇₁BM	7.38	[82, 83]
DCAO7T	－5.13/－3.26	PC₆₁BM	5.08	[52]	DR3TBDTT	－5.02/－3.27	PC₇₁BM	8.12
DERHD7T	－5.21/－3.68	PC₆₁BM	6.1	[53]	DR3TBDTT-HD	－5.06/－3.29	PC₇₁BM	6.79
DERHD7T	－5.21/－3.68	PC₇₁BM	4.35	[54]	DR3TBDT2T	－5.07/－3.29	PC₇₁BM	8.02
DRCN7T	－5.08/－3.44	PC₇₁BM	9.3	[54]	SBDT-BDD	－5.25/－3.55	IDIC	9.2	[84]
DRCN5T	－5.22/－3.41	PC₇₁BM	10.08	[55]	SBDT-BDD	－5.25/－3.55	IDIC:PC₇₁BM	10.9	[84]
DRCN5T	－5.32/－3.63	F-0Cl	5.49	[56]	DRTB-FT	－5.64/－3.61	F-2Cl	7.66	[85]
DRCN5T	－5.32/－3.63	F-1Cl	8.12		DRTB-T	－5.51/－3.34	F-2Cl	10.76	[85]
DRCN5T	－5.32/－3.63	F-2Cl	9.89		BTEHR-CT	－5.56/－3.47	F-2Cl	11.13	[86]
DRCN7T	－5.08/－3.44	Y6	2.48	[57]	BTEHR-CT	－5.56/－3.47	F-2Cl:PC₇₁BM	12.05	[86]
2F7T	－5.29/－3.61	Y6	9.41		BSFTR	－5.28/－3.19	NBDTP-F_out	12.26	[87]
2Cl7T	－5.39/－3.64	Y6	11.45		BSFTR	－5.28/－3.19	FO-2Cl	15.27	[42]
2Cl7T	－5.33/－3.59	eC9-4F	12.55	[58]	BSFTR	－5.28/－3.19	FO-EH-2Cl	15.78	[42]
Tz6T	－5.35/－3.65	eC9-4F	15.38	[58]	BTR	－5.34/－3.53	PC₇₁BM	9.3	[88]
Tz6T	－5.35/－3.65	eC9-4F	16.0	[59]	BTR	－5.34/－3.53	Y6	10.67	[89]
Tz6T-P	－5.37/－3.76	eC9-4F	14.7	[60]	BTR-Cl	－5.46/－3.70	Y6	13.61	[89]
Tz6T-iP	－5.29/－3.64	eC9-4F	15.7	[60]	BTR-Cl	－5.42/－3.70	Y6	13.81	[90]
4	－5.28/－3.68	PC₆₁BM	4.8	[61]	BTR-Cl	－5.42/－3.70	Y6	15.34	[90]
5	－5.28/－3.64	PC₆₁BM	5.6		SMDPP	－5.12/－3.72		1.73	[91]
6	－5.27/－3.67	PC₆₁BM	4.6		S-SMDPP	－5.16/－3.72		2.52
7	－5.30/－3.75	PC₆₁BM	4.4		SF-SMDPP	－5.18/－3.72		2.04
8	－5.31/－3.75	PC₆₁BM	6.1		B1	－5.37/－3.51	BO-4Cl	15.3	[92]
9	－5.30/－3.73	PC₆₁BM	6.1		B1	－5.37/－3.51	BO-4Cl:L8-BO	17.10	[93]
9	－5.30/－3.73	PC₇₁BM	7.1	[62]	TB	－5.28/－2.76	L8-BO	15.8	[94]
8	－5.31/－3.75	PC₇₁BM	7.63	[63]	TB-F	－5.31/－2.80	L8-BO	17	[94]
10	－5.25/－3.78	PC₇₁BM	8.22	[63]	T4	－5.22/－3.52	N3	12.61	[95]
9	－5.30/－3.73	PC₇₁BM	7.74	[64]	T6	－5.35/－3.53	N3	16.03	[95]
11	－5.28/－3.70	PC₇₁BM	8.16	[65]	SW1	－5.42/－3.43	Y6	12.90	[96]
12	－5.33/－4.08		4.21	[66]	SW2	－5.47/－3.45	Y6	15.51	[96]
13	－5.30/－4.03		2.74	[67]	BO-1	－5.30/－3.51	BTP-eC9	16.79	[97]
14	－5.32/－4.06		3.34	[66]	HD-1	－5.31/－3.46	BTP-eC9	17.19
15	—		5.2	[68]	OD-1	－5.36/－3.48	BTP-eC9	15.18
DTS(PTTh₂)₂	－5.2/－3.6	PC₇₀BM	6.7	[69]	HD-1	－5.31/－3.46	BTP-eC9	17.73	[98]
p-DTS(FBTTh₂)₂	－5.1/－3.3	PDI	3.1	[70]	DTBDT-Rho	－5.11/－3.14	PC₇₁BM	7.1	[99]
L-MDPBI	－5.20/－3.61		1.70	[71]	ZR1	－5.32/－3.53	Y6	14.34	[100]
F-MDPBI	－5.30/－3.59		4.89	[71]	ZR1	－5.32/－3.53	IDIC-4Cl	9.64	[100]
G17:D18-Cl	－5.39/－3.60	Y6	17.13	[72]	ZR1-Cl	－5.50/－3.60	IDIC-4Cl	10.81	[101]
G19:D18-Cl	－5.30/－3.53	Y6	18.53	[72]	ZR1-S-Cl	－5.56/－3.60	IDIC-4Cl	12.05	[101]
DHTBTEZP	－5.2/－3.9	PC₇₁BM	4.02	[73]	MPhS-C2	－5.35/－3.45	BTP-eC9	16.97	[102]
Por-1(DHTBTEZP)	－5.2/－3.9	PC₇₁BM	4.15	[74]	MPhS-C4	－5.39/－3.45	BTP-eC9	15.63
Por-2	－5.18/－3.39	PC₆₁BM	4.78	[74]	MPhS-C6	－5.35/－3.43	BTP-eC9	16.05
DPPEZnP-O	－5.07/－3.60	PC₆₁BM	7.23	[35]	MPhS-C2	－5.35/－3.45	SSe-NIC	16.83	[43]
DPPEZnP-TEH	－5.14/－3.76	PC₆₁BM	8.08	[75]	MPhS-C2	－5.35/－3.45	BTP-eC9:SSe-NIC	18.02	[43]
4a	－5.19/－3.59	PC₇₁BM	3.21	[76]	FBD-S1	－5.43/－3.52	Y6	11.5	[103]
4b	－5.15/－3.60	PC₇₁BM	5.07		TBD-S2	－5.41/－3.50	Y6	13.1	[103]
4c	－5.12/－3.52	PC₇₁BM	7.7		FBD-S3	－5.29/－3.13	Y6	12.53	[104]
PTTR	－5.14/－3.56	PC₇₁BM	7.66	[77]	TBD-S4	－5.31/－3.14	Y6	15.1	[104]