寧波材料所在全小分子有機(jī)太陽能電池方面取得重要進(jìn)展
有機(jī)太陽能電池作為新一代光伏技術(shù)，由于其成本低、質(zhì)輕、可溶液法加工等優(yōu)點，近年來受到研究人員的廣泛關(guān)注。與聚合物基太陽能電池相比，全小分子太陽能電池因其結(jié)構(gòu)確定、材料易合成、批次差異小等特點，被認(rèn)為具有較大的商業(yè)化前景。但同時，如何進(jìn)一步提高全小分子電池的光電轉(zhuǎn)化效率（PCE）仍是該領(lǐng)域的一個瓶頸問題。微相分離的本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）是承載電池高效的激子解離和電荷傳輸?shù)年P(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如何獲得理想的活性層形貌也一直是研究人員重點關(guān)注的問題。但小分子給體和非富勒烯受體類似的A-D-A結(jié)構(gòu)并不利于形成精細(xì)、良好的BHJ形貌。針對該問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義團(tuán)隊取得了一系列進(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，能顯著降低分子的結(jié)晶性能，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)一步調(diào)整分子側(cè)鏈的位置和碳原子數(shù)（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 7405-7411），協(xié)同調(diào)節(jié)了分子的片晶排列和BHJ形貌，光伏性能進(jìn)一步提升至14%。
近期，中科院寧波材料所葛子義團(tuán)隊圍繞該問題又取得了進(jìn)一步進(jìn)展。器件后處理對全小分子電池形成納米尺度相分離形貌具有重要意義。熱退火（TA）和溶劑退火（SVA）作為常用的后處理方法已被廣泛使用，但是其本征的理論區(qū)別卻鮮有研究。本研究以之前報道的BT-2F:N3為基礎(chǔ)，通過表征光伏性能、分子堆積、電荷轉(zhuǎn)移等，系統(tǒng)研究了TA和SVA（使用THF、CS2、CF三種常用溶劑）對BT-2F:N3的影響。研究發(fā)現(xiàn)：①相比較于TA，高溶解度的溶劑能誘導(dǎo)更強(qiáng)的分子相互作用，從而更好地促進(jìn)分子移動，提高分子的J-聚集和分子互連；②選擇性溶解給體的CS2能更好地優(yōu)化給體相結(jié)構(gòu)，使其具有合適的相尺寸、改善的相連續(xù)性以及更少的陷阱態(tài)；③CS2對受體的影響較小，抑制了其非輻射復(fù)合，進(jìn)而提升了CS2溶劑退火處理電池的開路電壓。最終，經(jīng)CS2溶劑退火處理的電池獲得了15.39%的轉(zhuǎn)化效率。同時該效率也是目前公開報道的二元全小分子太陽能電池的最高值。相關(guān)成果以“Solvent Annealing Enables 15.39% Efficiency All-Small-Molecule Solar Cells through Improved Molecule Interconnection and Reduced Non-Radiative Loss”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials上 (DOI: 10.1002/aenm.202100800)。
該研究得到了國家杰出青年科學(xué)基金（21925506）、國家重點研發(fā)計劃（2017YFE0106000）、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項（2018B10055）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)研究重點項目（QYZDB-SSW-SYS030）等的支持。
小分子太陽能電池給體/受體的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及相形貌變化示意圖
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