山大高珂教授團隊Joule：創造全小分子有機太陽能電池效率新紀錄

山大高珂教授團隊Joule：創造全小分子有機太陽能電池效率新紀錄

LWB

01、導讀

近些年，有機太陽能電池（OSC）在光伏技術中的誘人應用引起了廣泛關注。與聚合物基OSC相比，全小分子OSC（ASM OSC）有著更明確的化學結構并且易于純化、重復性高，有著更大的商業化潛力。隨著非富勒烯受體(NFAs)，特別是Y6及其衍生物的出現，ASM OSCs得到了突飛猛進的發展。然而，由于供體(D)和受體(A)的分子結構相似，ASM OSCs的性能仍然落后于其對應的聚合物，這導致了ASM共混物形態調控比較復雜。因此，合理控制形貌演變，進一步提高器件性能仍然是ASM OSCs面臨的挑戰。

形態學與器件的電荷傳輸和復合過程密切相關，是決定光伏性能的關鍵因素。近年來，體異質結（BHJ）構型在ASM OSC的活性層形成中占據主導地位，此外，研究人員目前已經開發了各種化學或加工策略來操縱BHJ共混物膜形態。然而，它們的形貌控制相當復雜，尤其是對于一步沉積的BHJ共混膜，通常還會導致顯著的重組損失。因此，對于ASM OSCs來說，操縱形態以滿足實現最大光子電流和填充因子（FF）這一基本挑戰遠未實現。值得注意的是，連續沉積給體和受體層以構建逐層（LbL）器件已被認為是控制聚合物OSCs形態的有效方法。但是，目前文獻中尚未有關于高性能LbL ASM OSCs的報道，因此相關研究非常有限。幸運的是，研究已經成功證明了具有π共軛平面結構的石墨炔衍生物作為多功能固體添加劑可以微調分子堆積，并在聚合物OSCs中實現高功率轉換效率（PCE），這為后續相關研究提供了進一步的幫助。

02、成果掠影

鑒于此，山東大學物質創制與能量轉換科學研究中心高珂教授、李玉良院士、華南師范大學先進光電子研究院輦理教授等人聯合報道了一種高效的ASM OSC。研究人員通過結合LbL沉積和固體添加劑甲氧基取代石墨炔（GOMe）處理來合理控制順序形態演變和垂直成分分布，最終獲得了一種高效的ASM OSCs。與BHJ共混物相比，LbL處理的共混物具有底部給體富集、頂部受體富集的最佳垂直分層。此外，結果表明，將固體添加劑GOMe添加到給體層略微增強了分子堆積并增加了表面粗糙度，從而為隨后的受體沉積提供了合適的基質，這顯著促進了受體擴散從而形成優選的垂直分布。另一個方面，GOMe處理的受體層顯示出更緊密的分子堆積。通過這種方法，合理控制的共混物形態同時具有緊湊的分子堆積、足夠的D/A界面和垂直傳輸通道，從而實現了增強的激子解離和電荷傳輸。最終，基于ZnP-TSEH:4TIC:6TIC的器件獲得了77.31%的FF，以及17.18%的突破效率（驗證效率：17.08%），顯著高于對照器件。

相關研究成果以“Rational control of sequential morphology evolution and vertical distribution toward 17.18% efficiency all-small-molecule organic solar cells”為題發表在國際頂級期刊Joule上。

03、核心創新點

1、通過結合分層(LbL)沉積和固體添加劑甲氧基取代石墨炔(GOMe)處理來控制活性層形態，證明了全小分子有機太陽能電池(ASM OSC)的效率高達17.18%。

2、合理控制、分子堆疊有序、垂直分布的形態具有雙重優勢。基于ZnP-TSEH:4TIC:6TIC的器件獲得了77.31%的FF，以及17.18%的突破效率，這是迄今為止報道的ASM OSCs的最高功率轉換效率。

04、數據概覽

圖1 化學結構，原理圖，光學性質 ? 2022 Elsevier Inc.

（A）供體(D, ZnP-TSEH)，受體(A, 4TIC和6TIC)和固體添加劑(GOMe)的化學結構；

（B）BHJ和LbL器件加工示意圖；

（C）D和D+GOMe（0.5 wt %）薄膜的光學性質；

（D）A和A+GOMe（0.5 wt %）薄膜的光學性質；

（E）BHJ:D+A、BHJ:D+A+GOMe (1 wt %)、LbL:D/A、LbL:D+GOMe (0.5 wt %)/A、GOMe (0.5 wt %)薄膜的光學性質；

圖2 形態學調查 ? 2022 Elsevier Inc.

（A-D）BHJ:D+A (A)、BHJ:D+A+GOMe (1 wt %) (B)、LbL:D/A (C)、LbL:D+GOMe (0.5 wt %)/A+GOMe (0.5 wt %) (D)活性層的AFM高度圖像；

（E-H）薄膜的AFM相位圖像；

（I-L）活性膜的TEM圖像；

圖3 形態學特征和可能的物理動力學 ? 2022 Elsevier Inc.

（A-D）對照和GOMe處理的BHJ和LbL膜的GIXD衍射圖，BHJ:D+A (A)、BHJ:D+A+GOMe (1 wt %) (B)、LbL:D/A (C)、LbL:D+GOMe (0.5 wt %)/A+GOMe (0.5 wt %) (D)；

（E）活性層的面外(OOP)和面內(IP)曲線；

（F）對于GOMe處理的BHJ和LbL膜，Zn²⁺的ToF-SIMS離子產率與濺射時間的關系；

（G-J）對照和GOMe處理的BHJ和LbL膜中分子排列和可能的物理動力學的視覺草圖；

圖4 光伏性能和物理動力學 ? 2022 Elsevier Inc.

（A）對照和GOMe處理的BHJ和LbL裝置的J-V曲線；

（B）報告過的ASM OSC的PCE總結；

（C）四個ASM OSC的EQE曲線；

（D）光電流密度與有效電壓曲線；

（E）J_sc的光強依賴性；

（F）TRPL光譜；

圖5 飛秒瞬態吸收（fs-TA）光譜 ? 2022 Elsevier Inc.

（A-D）BHJ:D+A (A)、BHJ:D+A+GOMe (1 wt %) (B)、 LbL:D/A (C)、and LbL:D+GOMe (0.5 wt %)/A+GOMe (0.5 wt %) (D)薄膜的fs-TA光譜的2D彩色圖；

（E-H）BHJ:D+A (E)、BHJ:D+A+GOMe (1 wt %) (F)、LbL:D/A (G)、LbL:D+GOMe (0.5 wt %)/A+GOMe (0.5 wt %) (H)在特定延遲時間下的代表性TA光譜；

05、成果啟示

綜上所述，該工作通過固體添加劑GOMe處理和LbL處理相結合，來合理控制順序形態演變和垂直分布，得到了PCE達到17.18%的ASM OSCs。17.18%的PCE是迄今為止報道的ASM OSC的最高效率。將GOMe處理與LbL處理相結合，精細調控連續形態演變和垂直分量分布，是進一步提高ASM OSCs性能的有效途徑。這項工作有望激發相關領域的研究熱情，推動相關領域的進一步發展。隨著不同光活性材料的開發和對形態機制的深入理解，相信未來ASM OSCs將取得一系列突破。

文獻鏈接：Rational control of sequential morphology evolution and vertical distribution toward 17.18% efficiency all-small-molecule organic solar cells，2022，https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.10.005）

本文由LWB供稿。