國家納米中心等在全小分子有機太陽能電池研究中取得進展

　　有機太陽能電池（OSCs）因重量輕、柔韌性好、成本低等特點，在柔性便攜設備上具有商業潛力。隨著分子設計的發展和器件工藝的優化，基于聚合物給體/非富勒烯受體的太陽能電池的效率提高到約18%以上，但聚合物批次性差異大的問題限制了其商業化應用。與聚合物太陽能電池（PSCs）相比，溶液可加工全小分子有機太陽能電池具有明確的分子結構、優異的材料與器件可重復性，利于實現工業化應用。小分子體系主要難點是活性層形貌調控，限制了進一步提升效率。

　　中國科學院國家納米科學中心納米系統與多級次制造重點實驗室研究員魏志祥團隊致力于可溶性有機小分子太陽能電池材料研究，優化活性層形貌、提高器件性能，實現了電池效率的持續提升，并發展出一系列分子設計策略，拓展了對于小分子太陽能電池原理機制的理解，例如，利用氟化端基策略（Nat. Commun. 2016, 7, 13740）以及擴大給體單元的稠環提高給體材料的結晶性（Nature Commun., 2019, 10, 5393），實現多級次形貌的有效調控；運用烷基鏈的支點外移等調節策略（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 22, 25100-25107；Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2005426.；Adv. Energy Mater., 2014,4: 1400538）以及引入液晶小分子（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803175），實現結晶性和相容性的調控；通過加熱基底調控垂直相分布（Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701548）；應用相似相容策略，引入第三組分在加熱條件下實現三元體系從合金模型向級聯模型的轉變（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4, 1549–1556）。

　　近日，該團隊與國家納米中心研究員裘曉輝課題組合作，以全小分子有機太陽能電池ZR-TT/Y6為基礎，引入受體材料的同源聚合物PJ1作為相界面相容劑，以加強給受體的相互作用、改善給受體活性層形貌，將能量轉換效率從14.3%提高到15.5%。結果表明，PJ1在活性層中位于給受體界面，增強了給體受體間的相互作用，使活性層中分子堆積更加致密，從而實現活性層形貌的優化，加快空穴轉移速率，最終獲得能量轉換效率的提升。該聚合小分子受體添加策略具有普適性，為全小分子有機太陽能電池的形貌優化提供了新思路。相關成果以Polymerized Small-Molecule Acceptor as an Interface Modulator to Increase the Performance of All-Small-Molecule Solar Cells為題，發表在《先進能源材料》上。

　　在新材料設計與合成方面，該團隊與美國北卡羅萊納州立大學教授Harald Ade等合作，從小分子給體設計入手，將小分子給體的側基苯環中的硫醇烷基鏈從對位移動到間位，設計并合成了兩個小分子給體P-PhS和M-PhS。與P-PhS相比，M-PhS的分子平面性和表面張力均有提高，在與小分子受體BTP-eC9共混后，在擁有良好相容性的同時，M-PhS還保持了其有序堆積能力。結果顯示，基于M-PhS/BTP-eC9的器件形貌具有良好的結晶性和多尺度相區結構，實現了激子分離和電荷傳輸的協同優化，短路電流和填充因子的同時提高，在二元全小分子太陽能電池中取得了16.2%的創紀錄效率。研究表明，提高材料結晶性的同時，降低給體材料和受體材料表面能的差異性來提高相容性，是獲得高性能全小分子太陽能電池的有效策略。相關成果以High Miscibility Compatible with Ordered Molecular Packing Enables an Excellent Efficiency of 16.2% in All-Small-Molecule Organic Solar Cells為題，發表在《先進材料》上。

　　研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）的支持。

　　圖1.（a）分子結構、（b）TEM圖、（c）AFM圖、（d）電子/空穴遷移率在添加PJ1前后的差異、（e）PJ1優化活性層形貌的示意圖

　　圖2.（a）分子結構與其對應的GIWAXs圖、（b）RSOXs圖與共混膜的空穴和電子遷移率圖、（c）基于P-PhS/BTP-eC9和M-PhS/BTP-eC9的形貌示意圖以及（填充因子×電流）與效率總結圖