有機(jī)太陽電池具有低成本以及可大面積印刷加工的優(yōu)勢(shì)，在未來商業(yè)化應(yīng)用頗有潛力。目前，高性能有機(jī)太陽電池通常采用低沸點(diǎn)鹵代試劑（如氯仿）來制備。這是由于此類光伏材料可在氯仿溶劑成膜過程中形成合適的相分離，同時(shí)，制備的光伏器件可以實(shí)現(xiàn)電荷的高效分離與傳輸。而氯仿等鹵代溶劑毒性強(qiáng)，有機(jī)太陽電池的大面積工業(yè)化生產(chǎn)中需要使用高沸點(diǎn)綠色溶劑加工來避免鹵代溶劑的環(huán)境污染問題。高效有機(jī)光伏材料在非鹵溶劑中溶解度較差，同時(shí)，非鹵溶劑較長(zhǎng)的成膜時(shí)間會(huì)導(dǎo)致光伏材料尤其是小分子受體過度聚集而形成大尺度相分離，從而影響電荷的有效分離與傳輸。因此，進(jìn)一步修飾小分子受體的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)其在非鹵溶劑中的溶解及聚集特性，從而改善電荷分離與傳輸，是提升非鹵溶劑加工有機(jī)太陽電池器件效率的重要途徑。?

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫課題組，在典型A-DA’D-A類小分子受體Y6和L8-BO的基礎(chǔ)上，通過在內(nèi)側(cè)鏈末端引入苯環(huán)，開發(fā)了新的受體Y6-Ph和L8-Ph（分子結(jié)構(gòu)如圖所示）。這一分子修飾策略可提升分子在非鹵溶劑中的器件性能。從分子設(shè)計(jì)角度，苯環(huán)具有一定的位阻效應(yīng)，位阻基團(tuán)的引入增加分子在非鹵溶劑中溶解性的同時(shí)降低了分子結(jié)晶性。這些特性使Y6-Ph和L8-Ph在非鹵溶劑中可以更好地分散，并減緩了分子在成膜過程中的快速聚集。這一現(xiàn)象通過薄膜AFM和TEM測(cè)試得到了證實(shí)。此外，苯環(huán)的引入為分子提供了更豐富的π-π相互作用位點(diǎn)，使分子在相對(duì)緩慢的成膜過程中自組裝形成更有序的分子堆積（示意圖如圖所示），促進(jìn)其電荷傳輸性能進(jìn)一步提升。?

為驗(yàn)證Y6-Ph和L8-Ph在較長(zhǎng)時(shí)間成膜過程中分子的聚集特性，課題組在高沸點(diǎn)氯苯溶劑中進(jìn)行了器件制備。其中，以PM6為給體，Y6-Ph或L8-Ph為受體的器件，表現(xiàn)出比以Y6和L8-BO為受體時(shí)更合適的給-受體相分離，從而獲得了更有效的電荷分離與傳輸、更少的載流子復(fù)合。而基于PM6:L8-Ph的太陽電池實(shí)現(xiàn)了80.55%的高填充因子和18.83%的高光電轉(zhuǎn)化效率。在解決了分子在較長(zhǎng)時(shí)間成膜過程過度聚集的問題后，課題組以L8-Ph為受體，PM6為給體，非鹵溶劑鄰二甲苯為加工溶劑，制備了太陽電池器件，實(shí)現(xiàn)了18.40%的高光電轉(zhuǎn)化效率。這是目前常溫非鹵溶劑加工有機(jī)太陽電池的最高效率之一。?

在小分子受體內(nèi)側(cè)鏈末端引入苯環(huán)的策略，可有效抑制分子在非鹵溶劑中的過度聚集，提高分子有序性，進(jìn)一步提升非鹵溶劑加工有機(jī)太陽電池的器件效率，在未來聚合物太陽電池大面積制備和商業(yè)化應(yīng)用中展現(xiàn)出應(yīng)用前景。

該成果由化學(xué)所和美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)合作完成。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

論文鏈接

Y6-Ph和L8-Ph的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及具有不同內(nèi)側(cè)鏈的小分子受體在較長(zhǎng)時(shí)間成膜過程中的聚集行為示意圖