魏志祥课题组在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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有机太阳能电池（OSCs）由于其重量轻、柔韧性好、成本低，在柔性便携设备上具有巨大的商业潜力。随着分子设计的不断深入和器件工艺的优化，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18%以上，但聚合物批次性差异大的问题限制了其商业化应用。与聚合物太阳能电池（PSCs）相比，溶液可加工全小分子有机太阳能电池具有明确的分子结构、优异的材料与器件可重复性，有利于实现工业化应用。小分子体系主要难点为活性层形貌调控，限制了其效率的进一步提升。
       国家纳米科学中心纳米系统与多级次制造重点实验室魏志祥研究员团队一直致力于可溶性有机小分子太阳能电池材料研究工作，通过优化活性层形貌、提高器件性能实现了电池效率的持续提升，并发展出一系列分子设计策略，拓展了该领域对小分子太阳能电池原理机制的理解。比如通过氟化端基策略（Nat. Commun. 2016, 7, 13740）以及扩大给体单元的稠环提高给体材料的结晶性（Nature Commun., 2019, 10, 5393），实现多级次形貌的有效调控；通过烷基链的支点外移（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 22, 25100-25107；Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2005426.；Adv. Energy Mater., 2014,4: 1400538）等调节策略，以及引入液晶小分子（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803175），实现结晶性和相容性的调控；通过加热基底调控垂直相分布（Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701548）；通过相似相容策略，引入第三组分在加热条件下实现三元体系从合金模型向级联模型的转变（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4, 1549–1556）。  
       最近，该团队与国家纳米中心裘晓辉研究员课题组合作，以全小分子有机太阳能电池ZR-TT/Y6为基础，引入受体材料的同源聚合物PJ1作为相界面相容剂，以加强给受体的相互作用同时改善给受体活性层形貌，将能量转换效率从14.3%提高到15.5%。研究结果表明，PJ1在活性层中位于给受体界面，增强了给体受体间的相互作用，使得活性层中分子堆积更加致密，从而实现活性层形貌的优化，加快了空穴转移速率，最终获得能量转换效率的提升。该聚合小分子受体添加策略具有普适性，为全小分子有机太阳能电池的形貌优化提供了一种新的思路。相关研究成果以“Polymerized Small-Molecule Acceptor as an Interface Modulator to Increase the Performance of All-Small-Molecule Solar Cells”为题发表于《先进能源材料》(Adv. Energy Mater. 2021, 2102394, DOI: 10.1002/aenm.202102394)。

图1：（a）分子结构，（b）TEM图，（c）AFM图，（d）电子/空穴迁移率在添加PJ1前后的差异，（e）PJ1优化活性层形貌的示意图　　

        在新材料设计与合成方面，该团队与美国北卡罗莱纳州立大学Harald Ade教授等人合作，从小分子给体设计入手，通过将小分子给体的侧基苯环中的硫醇烷基链从对位移动到间位，设计并合成了两个小分子给体P-PhS和M-PhS。与P-PhS相比，M-PhS的分子平面性和表面张力均有所提高，在与小分子受体BTP-eC9共混后，在拥有良好相容性的同时，M-PhS还保持了其有序堆积能力。结果，基于M-PhS/BTP-eC9的器件形貌具有良好的结晶性和多尺度相区结构，实现了激子分离和电荷传输的协同优化，短路电流和填充因子的同时提高，在二元全小分子太阳能电池中取得了16.2%的创纪录效率。该研究表明，提高材料结晶性的同时，降低给体材料和受体材料表面能的差异性来提高相容性，是获得高性能全小分子太阳能电池的有效策略。相关研究成果以“High Miscibility Compatible with Ordered Molecular Packing Enables an Excellent Efficiency of 16.2% in All-Small-Molecule Organic Solar Cells”为题发表于《先进材料》（Adv. Mater. 2021. 2106316, DOI: 10.1002/adma.202106316）。

　　图2：（a）分子结构与其对应的GIWAXs图；（b）RSOXs图与共混膜的空穴和电子迁移率图；（c）基于P-PhS/BTP-eC9和M-PhS/BTP-eC9的形貌示意图以及（填充因子×电流）与效率总结图  

         国家纳米科学中心博士研究生张莉莉和副研究员祝向伟为《先进材料》文章的共同第一作者，国家纳米科学中心邓丹副研究员、美国北卡罗莱纳州立大学Harald Ade教授和魏志祥研究员为通讯作者。国家纳米科学中心博士研究生张子祺为《先进能源材料》文章的第一作者，国家纳米科学中心邓丹副研究员、裘晓辉研究员和魏志祥研究员为通讯作者。感谢国家纳米科学中心周惠琼研究员对上述工作的帮助。上述研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项B类研发项目的支持。
        相关论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202102394；
                              https://doi.org/10.1002/adma.202106316。


        文章来源：国家纳米科学中心
        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。
       裘晓辉，国家纳米科学中心研究员。1992年毕业于吉林大学化学系物理化学专业。1997年、2000年在中国科学院化学研究所分别获得理学硕士、博士学位。2000年8月至2006年3月期间在美国加州大学Irvine分校、美国IBM公司中心研究部、美国俄亥俄州立大学等院校任博士后和访问科学家，长期从事与扫描探针技术相关的研究工作。2006年3月进入国家纳米科学中心工作，2007年6月获“百人计划”择优支持。现任中科院纳米标准与检测重点实验室主任、Surface science和Advanced Materials Interfaces杂志顾问编委。近期主要开展了单分子物理化学性质的扫描探针显微技术研究、基于扫描探针的纳米结构材料基本电学性质测量方法研究、以及纳米材料的显微超快光谱方向的研究工作。已在国际学术期刊上发表论文60余篇，其中包括 Science，Phys. Rev. Lett.，J. Am. Chem. Soc.等，被他引两千余次。