國家納米中心等在全小分子有機太陽能電池研究中取得進展

IT之家 1 月 2 日消息，有機太陽能電池（OSCs）因重量輕、柔韌性好、成本低等特點，在柔性便攜裝置上具有商業潛力。随着分子設計的發展和器件工藝的優化，基于聚合物給體 / 非富勒烯受體的太陽能電池的效率提高到約 18% 以上，但聚合物批次性差異大的問題限制了其商業化應用。

與聚合物太陽能電池（PSCs）相比，溶液可加工全小分子有機太陽能電池具有明确的分子結構、優異的材料與器件可重複性，利于實作工業化應用。小分子體系主要難點是活性層形貌調控，限制了進一步提升效率。

據國家納米科學中心消息，中國科學院國家納米科學中心納米系統與多級次制造重點實驗室研究員魏志祥團隊緻力于可溶性有機小分子太陽能電池材料研究，優化活性層形貌、提高器件性能，實作了電池效率的持續提升，并發展出一系列分子設計政策，拓展了對于小分子太陽能電池原理機制的了解。

近日，該團隊與國家納米中心研究員裘曉輝課題組合作，以全小分子有機太陽能電池 ZR-TT / Y6 為基礎，引入受體材料的同源聚合物 PJ1 作為相界面相容劑，以加強給受體的互相作用、改善給受體活性層形貌，将能量轉換效率從 14.3% 提高到 15.5%。

IT之家了解到，結果表明，PJ1 在活性層中位于給受體界面，增強了給體受體間的互相作用，使活性層中分子堆積更加緻密，進而實作活性層形貌的優化，加快空穴轉移速率，最終獲得能量轉換效率的提升。該聚合小分子受體添加政策具有普适性，為全小分子有機太陽能電池的形貌優化提供了新思路。

在新材料設計與合成方面，該團隊與美國北卡羅萊納州立大學教授 Harald Ade 等合作，從小分子給體設計入手，将小分子給體的側基苯環中的硫醇烷基鍊從對位移動到間位，設計并合成了兩個小分子給體 P-PhS 和 M-PhS。與 P-PhS 相比，M-PhS 的分子平面性和表面張力均有提高，在與小分子受體 BTP-eC9 共混後，在擁有良好相容性的同時，M-PhS 還保持了其有序堆積能力。

結果顯示，基于 M-PhS / BTP-eC9 的器件形貌具有良好的結晶性和多尺度相區結構，實作了激子分離和電荷傳輸的協同優化，短路電流和填充因子的同時提高，在二進制全小分子太陽能電池中取得了 16.2% 的創紀錄效率。研究表明，提高材料結晶性的同時，降低給體材料和受體材料表面能的差異性來提高相容性，是獲得高性能全小分子太陽能電池的有效政策。