Adv. Mater.:精細的分子結構剪裁優化共混膜形貌，制備光電轉化效率超16%的有機太陽能電池

Adv. Mater.:精細的分子結構剪裁優化共混膜形貌，制備光電轉化效率超16%的有機太陽能電池

【引言】

由p型和n型聚合物或小分子組成的本體異質結有機太陽能電池（BHJ-OSCS），擁有柔性、便攜和半透明等優點，因此受到了研究者的廣泛關注。基于非富勒烯電子受體（NFAs）的OSCs具有在可見光和近紅外區域強吸收和能級易于調節的顯著優點，最近在單結和疊層器件中獲得了16%以上的高效率。NFAs共混薄膜可以在幾乎不需要能級驅動力的情況下實現快速電荷分離，因此可以有效解決有機太陽能電池中普遍存在的高能量損失的問題。理論分析表明，低能量損耗、高電荷生成的單結OSCs的功率轉換效率(PCE)極限可達19%。然而，在低能量損耗的體系中如何協同優化電子結構和共混膜形貌，以最大限度地保證電荷生成和運輸仍然是個艱巨的任務。具體實踐中，為了最大限度地提高開路電壓（V_OC），上移受體的LUMO能級或降低給體的HOMO能級是材料設計中的主流策略。抑制非輻射復合損耗是另一個已被證明可行的途徑。另一方面，在寬吸收光譜區域操控電荷的高效率生成對NFA而言仍具挑戰性。因此，在NFAs重塑光電轉化過程中可以發現新的機遇。例如，已經證明，在接近零的給受體HOMO能級差下，可以實現具有超快空穴傳輸和PCE接近12%的高性能OSCs。進一步，瞬態光學研究證實，給、受體的能級差與NFAs系統中的空穴傳輸過程無關。因此，在下一步高性能有機光伏電池（OPV）中，實現對Voc和電荷載流子生成之間更好的新平衡是很有希望的。這種調控需要精細的共混膜形貌來保證，以實現高載流子遷移率和優秀的空穴轉移，這一目標的實現又最終依賴于分子結構的精確調控。

【成果簡介】

近日，中科院化學研究所、北京分子科學國家實驗室朱曉張研究員團隊在國際著名期刊Adv.Mater. 上發表題為“Subtle Molecular Tailoring Induces Significant Morphology Optimization Enabling over 16% Efficiency Organic Solar Cells with Efficient Charge Generation”的文章。文章采用含喹喔啉主核的新型電子受體AQx-2和PBDB-TF為給體共混，實現了16.64%的高效率二元有機太陽能電池。這一光伏性能的顯著提高是僅僅通過對其姐妹分子AQx-1的分子結構進行精細、簡單的剪裁而獲得的。作者結合詳細的形貌和瞬態吸收光譜分析，建立了良好的結構-形貌-性能關系。AQx-2薄膜中獲得了較強的π-π相互作用，實現了有效的電子hopping和平衡的電子/空穴遷移率，實現了良好的電荷輸運。更重要地，AQx-2共混薄膜的獲得了聚集減弱、共混更好的相分離形貌，促進了空穴轉移，并在電荷生成的早期時間尺度成功地抑制了嚴重的的單分子電荷復合。這種在分子設計和形貌方面的精細優化對實現下一代高性能的OSCs具有啟發意義。

【圖文簡介】

圖1

a）PBDB-TF、AQx-1和AQx-2的化學結構；

b）AQx-1和AQx-2在氯仿溶液和薄膜中的化紫外-可見-近紅外吸收光譜；

c）OSCs所用材料的能級圖；

d）2D-GIXD數據和相應的一維譜圖。

圖2

a）AM 1.5 G光譜（100 mW cm^-2）下OSC器件的電流-電壓特性曲線和b) EQE曲線；

c）PBDB-TF:AQx-1和PBDB-TF:AQx-2器件的J_ph-V_eff依賴測試；

d）OSCs器件的帶隙和能量損耗（ΔE1：帶隙上的輻射損耗；ΔE2：帶隙下的輻射損耗；ΔE3：非輻射損耗）。

圖3

a）AQx-1和b）AQx-2共混膜的2D-GIXD；

c）一維GIXD；

d）AQx-1和e）AQx-2共混膜的TEM（500nm標度）。

圖4

a）PBDB-TF:AQx-1共混膜在指示延遲時間的典型fs瞬態吸收光譜。灰線：750nm激發的純AQx-1薄膜的TA光譜；

b）PBDB-TF:AQx-2共混膜在指示延遲時間的典型fs瞬態吸收光譜。灰線：750nm激發的純AQx-2薄膜的TA光譜；

c）PBDB-TF:AQx-1和PBDB-TF:AQx-2空穴轉移過程的TA動力學。

圖5

a）PBDB-TF:AQx-1和b）PBDB-TF:AQx-2共混膜在750nm激發下的極化子吸收時間演化。

【小結】

綜上所述，以含喹喔啉主核的新型電子受體AQx-2和給體PBDB-TF共混，實現了16.64%的高效二元OSCs。認證的PCE為16.4%，這是二元有機太陽能電池的最高認證值。PBDB-TF:AQx-2共混膜僅僅通過對其姐妹電子受體AQx-1的分子結構進行細微的剪裁，就重塑了光電過程，在Voc和電荷產生之間獲得了更理想的平衡。AQx-2薄膜中獲得了較強的π-π相互作用，實現了有效的電子hopping和平衡的電子/空穴遷移率，實現了良好的電荷輸運；更重要地，AQx-2共混薄膜的獲得了聚集減弱、共混更好的相分離形貌，極大地促進了空穴轉移，并在電荷生成的早期時間尺度成功地抑制了嚴重的單分子電荷復合。基于新型含喹喔啉主核的受體分子設計與精確的形貌優化相結合的成功示范，將為下一步高性能OSCs的發展提供新的設計思考。

文獻鏈接：Subtle Molecular Tailoring Induces Significant Morphology Optimization Enabling over 16% Efficiency Organic Solar Cells with Efficient Charge Generation, 2019, Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201906324.

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip