葛子义课题组在全小分子有机太阳能电池方面取得重要进展

fox1992

有机太阳能电池作为新一代光伏技术，由于其成本低、质轻、可溶液法加工等优点，近年来受到研究人员的广泛关注。与聚合物基太阳能电池相比，全小分子太阳能电池因其结构确定、材料易合成、批次差异小等特点，被认为具有较大的商业化前景。但同时，如何进一步提高全小分子电池的光电转化效率（PCE）仍是该领域的一个瓶颈问题。微相分离的本体异质结（BHJ）是承载电池高效的激子解离和电荷传输的关键结构，如何获得理想的活性层形貌也一直是研究人员重点关注的问题。但小分子给体和非富勒烯受体类似的A-D-A结构并不利于形成精细、良好的BHJ形貌。针对该问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义团队取得了一系列进展。前期研究结果（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2808-2815）发现，在小分子给体侧基引入双氟原子，能显著降低分子的结晶性能，改善分子pi-pi堆积、激子解离和电荷传输，最终获得超过13%的光电转化效率。通过进一步调整分子侧链的位置和碳原子数（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 7405-7411），协同调节了分子的片晶排列和BHJ形貌，光伏性能进一步提升至14%。

小分子太阳能电池给体/受体的化学结构，以及相形貌变化示意图

　　近期，中科院宁波材料所葛子义团队围绕该问题又取得了进一步进展。器件后处理对全小分子电池形成纳米尺度相分离形貌具有重要意义。热退火（TA）和溶剂退火（SVA）作为常用的后处理方法已被广泛使用，但是其本征的理论区别却鲜有研究。本研究以之前报道的BT-2F:N3为基础，通过表征光伏性能、分子堆积、电荷转移等，系统研究了TA和SVA（使用THF、CS2、CF三种常用溶剂）对BT-2F:N3的影响。研究发现：①相比较于TA，高溶解度的溶剂能诱导更强的分子相互作用，从而更好地促进分子移动，提高分子的J-聚集和分子互连；②选择性溶解给体的CS2能更好地优化给体相结构，使其具有合适的相尺寸、改善的相连续性以及更少的陷阱态；③CS2对受体的影响较小，抑制了其非辐射复合，进而提升了CS2溶剂退火处理电池的开路电压。最终，经CS2溶剂退火处理的电池获得了15.39%的转化效率。同时该效率也是目前公开报道的二元全小分子太阳能电池的最高值。相关成果以“Solvent Annealing Enables 15.39% Efficiency All-Small-Molecule Solar Cells through Improved Molecule Interconnection and Reduced Non-Radiative Loss”为题发表在Advanced Energy Materials上 (DOI: 10.1002/aenm.202100800)。
　　该研究得到了国家杰出青年科学基金（21925506）、国家重点研发计划（2017YFE0106000）、宁波市科技创新2025重大专项（2018B10055）、中国科学院前沿科学研究重点项目（QYZDB-SSW-SYS030）等的支持。




      文章来源：宁波材料所
       葛子义，中科院宁波材料所研究员、博导。1999年本科毕业于兰州大学，2004年获中科院化学所博士学位。2005-2009年分别在日本东京工业大学、神奈川大学、澳大利亚新南维尔士大学从事有机光电研究。2009年初受聘于华东理工大学教授。2010年加入中科院宁波材料所，担任 “有机光电化学”学科带头人、有机光电材料与器件课题组组长。先后入选中科院青年拔尖科学家、浙江省杰青、浙江省“151人才”、“钱江人才”等。目前主要从事有机/钙钛矿太阳能电池、OLED和导电高分子功能材料研究。迄今在Nature Photonics、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等国际著名期刊上发表SCI论文100多篇，并被引用2000多次，撰写Springer等有机太阳电池专著章节3部。共申请国际国内专利29项。20多次受邀做著名学术会议邀请报告。目前担任《储能科学与技术》、International Journal of Modern Manufacturing Technology杂志编委、中国化工学会储能工程专业委员会委员、第一届国际有机光电材料与器件国际会议（ICOOE 2014）大会主席。2009年以来，主持包括国家重点研发计划、5项国家自然基金面上项目、中科院前沿重点项目、教育部霍英东青年教师基金在内的20多项国家级和省部级科研项目。担任国家科技奖，国家自然基金委、拔尖人才、教育部长江学者项目评审专家。