魏志祥课题组:全小分子有机太阳能电池研究方面取得重要进展

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国家纳米科学中心魏志祥研究员、吕琨研究员与瑞典林雪平大学高峰教授、西安交通大学马伟教授合作，在全小分子有机太阳能电池材料设计和器件性能研究方面取得重要进展，通过多级次形貌调控获得了14.34%的光电转换效率，这是目前文献报导的可溶性有机全小分子太阳能电池的最高效率。相关研究成果发表在Nature Commun., 2019, 10, 5393上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13292-1。

　　有机本体异质结（BHJ）太阳能电池因为其具有轻量，低成本，可大面积柔性制备等特性，一直得到广泛的关注。随着分子设计的不断深入和器件工艺的优化，能量转化效率在几年来取得了较大提升。在非富勒烯体系的开发过程中，基于聚合物给体/非富勒烯受体的太阳能电池的效率已提高到17%以上。但是，聚合物存在的批次性差异难以避免，制约了其进一步的研究和应用。所以，基于非富勒烯受体的新型小分子给体开发具有重要的科学意义和应用价值。小分子自身结晶性较为理想，更容易产生良好的相纯度和有序排布，从而实现能量损失降低和电荷传输效率的提升，进而提升有机太阳能电池的能量转换效率。
　　然而，在全小分子有机太阳能电池中相分离尺度难以控制，难以形成聚合物体系中典型的互穿网络纳米结构，制约了小分子体系中电荷分离和传输效率，限制了填充因子和能量转化效率的提升。为了克服这一难题，需要从分子设计和形貌调节两方面同时入手。魏志祥课题组选择平面性较好的五元稠环二噻吩并苯并二噻吩作为核心基团构筑了A-π-D-π-A型小分子给体ZR1分子，并选用了二噻吩作为π桥，代替常用的三噻吩π桥，以降低HOMO能级并增加分子的刚性；在活性层形貌优化过程中，通过退火温度（110℃-140℃）的精细调节，实现了多级次形貌的有效调控。其中120℃热退火优化后，不使用添加剂和电子传输层的情况下，ZR1：Y6的器件达到了14.34％的最高能量转换效率（中国计量科学研究院认证效率为14.1％）。
　　该课题组成功获得了ZR1的单晶结构，利用单晶X射线衍射分析可知此分子具有较高的平面性和刚性，形成高度有序性和致密的分子堆积。利用掠入射X射线散射分别测试了纯膜及混合膜在退火前后的变化。结果表明，经过热退火后，ZR1显示出较强的分子堆积，120℃和140℃下混合膜中多重衍射峰出现表明ZR1晶体的存在。通过对TEM和共振软X射线结果结合分析，在共混活性层中，存在 70 nm左右的大相区尺寸及10 nm左右的小相区，且相纯度随着温度升高而增大。这种多级次结构既可以实现有效的电荷传输也保证了足够的相分离界面。在TEM图像中观察到约100 nm长和30 nm宽的给体晶体结构。同时，研究表明ZR1:Y6体系具有较低的辐射复合能量损失和非辐射复合能量损失，非辐射能量损失低至0.04 V，从而有助于器件开路电压的提高。
　　该研究通过给体分子设计，并匹配合适的受体，构筑了有效的多级次形貌，实现了能量损失的减小和能量转化效率的提高，加深了对全小分子体系的分子设计和形貌调控的认识，并将有助于全小分子太阳能电池性能的进一步提高。
　　该成果得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委等项目的支持。


       魏志祥，国家纳米科学中心研究员。男，1975年10月生，籍贯山东寿光。1997年获西安交通大学高分子材料专业学士学位。2000年获西安交通大学材料科学与工程硕士学位。2003年获中国科学院研究生院化学专业博士学位。2003-2004年在德国马普胶体界面所从事博士后研究。2005年在加拿大多伦多大学从事博士后研究。2006年至国家纳米科学中心工作，研究领域为有机光电材料的自组装与柔性器件。2010-2012年任国家纳米科学中心器件研究室副主任。2012-2014年任国家纳米科学中心器件研究室主任。2014年至2018年，任中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室副主任，国家纳米科学中心器件研究室主任。
      吕琨,国家纳米科学中心特聘研究员，1981年12月出生。主要研究有机共轭分子材料（如场效应晶体管和太阳能电池）相关的材料化学、形貌调控及器件工程等问题，在光电分子材料构效关系方面开展系统性研究。2004年山东大学获学士学位，2010年中国科学院化学研究所获博士学位，2010年至今任职于国家纳米科学中心纳米系统与多级次制造院重点实验室。近年来承担了国家自然基金面上项目、科技部重点研发计划课题、北京市科委基金等项目。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Energy Mater.等期刊上发表论文50余篇，论文他引1000余次；申请中国发明专利7项，授权1项。先后入选中国科学院青年创新促进会和北京市科技新星计划。
      马伟，男，1983年出生，西安交通大学材料学院教授，博导。2005年获得华南理工大学材料科学与工程专业本科学位；2007年在法国萨瓦大学获得硕士学位；之后进入法国巴黎第六大学进行博士课题的研究；2010年12月获得博士学位后，在法国巴黎高等师范学院和美国北卡州立大学从事博士后研究。2015入选西安交通大学首批“青年拔尖人才支持计划”教授。2016年入选中组部青年项目。主持国家自然科学基金青年项目一项，合作主持基金委重点项目一项 。