全小分子有機(jī)太陽能電池：多級次形貌調(diào)控實(shí)現(xiàn)效率突破

李永舫

中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190

a) ZR1，Y6，IDIC-4Cl分子結(jié)構(gòu)；b) ZR1:Y6和ZR1:IDIC-4Cl的J-V曲線；c)相對應(yīng)的EQE圖譜；d)多級次形貌的TEM圖；e)不同退火條件下的共振軟X射線散射圖。

有機(jī)本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)太陽能電池由于其質(zhì)輕和可大面積印刷柔性器件等優(yōu)勢而引起了廣泛的關(guān)注。小分子給體具有分子量明確、易于純化和批次差異小等優(yōu)點(diǎn)。此外，小分子較強(qiáng)的結(jié)晶性可以獲得更高的相純度和更低的能量無序度，從而可制備高電荷遷移率、低能量損失的有機(jī)太陽能電池1,2。盡管具有上述優(yōu)點(diǎn)，全小分子有機(jī)太陽能電池到目前為止能量轉(zhuǎn)化效率仍然低于對應(yīng)的聚合物太陽能電池，其中最重要的挑戰(zhàn)是如何控制全小分子有機(jī)太陽能電池中的納米互穿網(wǎng)絡(luò)形貌。給體/受體互穿網(wǎng)絡(luò)中高效傳輸通道的缺失將導(dǎo)致低的電荷載流子遷移率以及嚴(yán)重的電荷復(fù)合等問題。通過分子設(shè)計實(shí)現(xiàn)多級次形貌，為同時實(shí)現(xiàn)有效的電荷分離和傳輸、降低電荷復(fù)合提供了一種潛在的策略。

近日，國家納米科學(xué)中心魏志祥、呂琨研究員課題組與西安交通大學(xué)馬偉教授、瑞典林雪平大學(xué)高峰教授合作，以共軛擴(kuò)展的富電子五元稠環(huán)二噻吩并苯并二噻吩(DTBDT)為核的小分子ZR1為給體，非富勒烯分子Y6為受體，通過優(yōu)化活性層的多級次形貌，實(shí)現(xiàn)了效率14.34%的突破，這是目前報道的全小分子有機(jī)太陽能電池的最高效率(相關(guān)分子結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見上圖)。相關(guān)研究已發(fā)表在近期的Nature Communications上3，題目為All-Small-Molecule Organic Solar Cells with Over 14% Efficiency by Optimizing Hierarchical Morphologies。

在該項研究中，他們設(shè)計并合成了A-π-D-π-A型小分子給體ZR1，其中共軛擴(kuò)展的富電子五元稠環(huán)DTBDT作為給體(D)單元，以有效地擴(kuò)展共軛平面并改善分子的平面性；選用了二噻吩作為π橋，代替常用的三噻吩π橋，以降低HOMO能級并增加分子的剛性，實(shí)現(xiàn)了分子結(jié)晶性和活性層形貌的協(xié)同優(yōu)化。研究表明，通過引入共軛擴(kuò)展稠環(huán)擴(kuò)展共軛體系并改善分子的平面性，提高了分子的結(jié)晶性；進(jìn)一步通過熱退火誘導(dǎo)形成了優(yōu)化的多級次相尺寸分布。較小的相區(qū)尺寸平均約10 nm，有利于激子擴(kuò)散和有效的電荷分離；較大的相區(qū)平均約70 nm，并與約100 nm長和30 nm寬的給體晶體共存，實(shí)現(xiàn)了有效的電荷傳輸。這種優(yōu)化的多級次形貌表明，多尺度的納米結(jié)構(gòu)以及共存的晶體是實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵因素。同時，器件能量損失的研究表明，ZR1:Y6體系具有較低的輻射復(fù)合能量損失和非輻射復(fù)合能量損失，輻射復(fù)合能量損失低至0.04 eV，從而有助于開路電壓的提高。

該工作深入闡述了全小分子體系中分子設(shè)計、形貌調(diào)控與器件性能之間的內(nèi)在關(guān)系，對高效率有機(jī)光伏材料的設(shè)計具有重要的借鑒意義，有助于實(shí)現(xiàn)全小分子有機(jī)太陽能電池效率的進(jìn)一步提高。