全小分子有機太陽能電池：多級次形貌調控實現效率突破

李永舫

中國科學院化學研究所，北京 100190

a) ZR1，Y6，IDIC-4Cl分子結構；b) ZR1:Y6和ZR1:IDIC-4Cl的J-V曲線；c)相對應的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。

有機本體異質結(BHJ)太陽能電池由于其質輕和可大面積印刷柔性器件等優勢而引起了廣泛的關注。小分子給體具有分子量明確、易于純化和批次差異小等優點。此外，小分子較強的結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、低能量損失的有機太陽能電池1,2。盡管具有上述優點，全小分子有機太陽能電池到目前為止能量轉化效率仍然低于對應的聚合物太陽能電池，其中最重要的挑戰是如何控制全小分子有機太陽能電池中的納米互穿網絡形貌。給體/受體互穿網絡中高效傳輸通道的缺失將導致低的電荷載流子遷移率以及嚴重的電荷復合等問題。通過分子設計實現多級次形貌，為同時實現有效的電荷分離和傳輸、降低電荷復合提供了一種潛在的策略。

近日，國家納米科學中心魏志祥、呂琨研究員課題組與西安交通大學馬偉教授、瑞典林雪平大學高峰教授合作，以共軛擴展的富電子五元稠環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，通過優化活性層的多級次形貌，實現了效率14.34%的突破，這是目前報道的全小分子有機太陽能電池的最高效率(相關分子結構和實驗結果見上圖)。相關研究已發表在近期的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，他們設計并合成了A-π-D-π-A型小分子給體ZR1，其中共軛擴展的富電子五元稠環DTBDT作為給體(D)單元，以有效地擴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，實現了分子結晶性和活性層形貌的協同優化。研究表明，通過引入共軛擴展稠環擴展共軛體系并改善分子的平面性，提高了分子的結晶性；進一步通過熱退火誘導形成了優化的多級次相尺寸分布。較小的相區尺寸平均約10 nm，有利于激子擴散和有效的電荷分離；較大的相區平均約70 nm，并與約100 nm長和30 nm寬的給體晶體共存，實現了有效的電荷傳輸。這種優化的多級次形貌表明，多尺度的納米結構以及共存的晶體是實現高性能的關鍵因素。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合能量損失和非輻射復合能量損失，輻射復合能量損失低至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計、形貌調控與器件性能之間的內在關系，對高效率有機光伏材料的設計具有重要的借鑒意義，有助于實現全小分子有機太陽能電池效率的進一步提高。