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全小分子有機(jī)太陽能電池研究獲進(jìn)展

2022-06-02 09:47:16來源：中科院 寧波材料技術(shù)與工程研究所 閱讀量：120 評(píng)論

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導(dǎo)讀：目前，高效率的OSCs吸光活性層由聚合物給體和小分子非富勒烯受體組成，但聚合物本征的分子量多分散性使其存在批次差異性，會(huì)造成光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)的不同，不利于未來的大批量制備。

　　有機(jī)太陽能電池(Organic solar cells，OSCs)憑借質(zhì)輕、可溶液法加工、成本低等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，受到廣泛的關(guān)注和研究。目前，高效率的OSCs吸光活性層由聚合物給體和小分子非富勒烯受體組成，但聚合物本征的分子量多分散性使其存在批次差異性，會(huì)造成光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)的不同，不利于未來的大批量制備。
 
　　相比之下，全小分子有機(jī)太陽能電池由于化學(xué)結(jié)構(gòu)確定、重復(fù)性好和批次差異小等特點(diǎn)，得到越來越多的關(guān)注。同時(shí)，不理想的微相分離形貌限制了其PCE的進(jìn)一步提升。給受體類似的A-D-A型結(jié)構(gòu)使得合理的調(diào)控相形貌成為較大的挑戰(zhàn)，高結(jié)晶性和合適的相分離尺度往往相互制衡，造成相對(duì)較低的PCE(通常<16%)。
 
　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機(jī)光電材料與器件團(tuán)隊(duì)在研究員葛子義的帶領(lǐng)下取得了一系列進(jìn)展。前期研究結(jié)果(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2808-2815)發(fā)現(xiàn)，在小分子給體側(cè)基引入雙氟原子，能顯著改善分子pi-pi堆積、激子解離和電荷傳輸，最終獲得超過13%的光電轉(zhuǎn)化效率。通過進(jìn)一步優(yōu)化后處理工藝，全小分子器件PCE進(jìn)一步提升至15.4%，同時(shí)闡釋了熱退火和溶劑退火對(duì)于調(diào)整活性層形貌存在不同的運(yùn)作機(jī)理(Adv. Energy Mater., 2021, 2100800)。
 
　　近日，該團(tuán)隊(duì)在全小分子有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。研究首次將端基非對(duì)稱取代策略運(yùn)用于小分子給體材料中。通過組合一系列不同吸電子能力的端基——氰基乙酸酯(CA)、羅丹明(Reh)、和茚酮(ID)，研究設(shè)計(jì)合成了一系列新型的小分子給體材料——SM-CA、SM-CA-Reh、SM-Reh、SM-CA-ID和SM-ID。
 
　　與小分子受體N3共混時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)基于SM-CA-Reh:N3的器件整合了SM-CA:N3高填充因子和SM-Reh:N3高電流的特點(diǎn)，最終器件效率從15.41%(SM-CA:N3)顯著提升至16.34%。該效率同時(shí)是目前公開報(bào)道的二元全小分子太陽能電池的最高值。
 
　　而基于SM-CA-ID和SM-ID的器件效率逐漸下降，分別為8.20%和2.76%。通過表征微觀的分子堆積和整體的相分布，研究發(fā)現(xiàn)分子的pi-pi堆積是決定相分離形貌的主要因素，而非結(jié)晶性或者偶極作用。同時(shí)，SM-CA-Reh:N3中由于羅丹寧的引入，相尺寸略微增大，仍保持了SM-CA:N3中較好的相分離網(wǎng)絡(luò)。這較好解釋了基于SM-CA-Reh:N3的器件對(duì)于SM-CA和SM-Reh光伏性能的整合。
 
　　相關(guān)研究成果以Asymmetric Substitution of End-Groups Triggers 16.34% Efficiency for All-Small-Molecule Organic Solar Cells為題，發(fā)表在Advanced Materials上。研究工作得到中科院國家納米中心和華南理工大學(xué)的支持，并獲得國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金等的資助。
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