Advanced Energy Materials:基于非富勒烯受体Y6的高效有机光伏器件:单晶、形貌及器件物理研究

基于非富勒烯材料的有机薄膜光伏器件近年来备受瞩目。新材料和新工艺的不断突破也使得器件的能量转换效率日益提升。随着非富勒烯受体Y6的报道,一系列基于Y6开发的新受体材料使得有机太阳能电池效率不断突破,日前已超过18%,接近商业化水平。同时也为下一代有机光伏材料的开发奠定了基础。除了对材料电子结构的优化外,薄膜结构的研究对于高效率体系十分重要且必要,这有助于加深关于给受体材料的匹配原则以及薄膜形貌调控的理解。

上海交通大学化学化工学院刘烽课题组通过对非富勒烯受体Y6的单晶结构解析、薄膜形貌及器件物理等方面的细致探究,揭示了Y6作为新一代明星受体分子取得高效率的原因。基于非富勒烯受体Y6的器件性能高度依赖于Y6的晶体堆积和共混膜形貌。通过对Y6单晶结构的分析,发现Y6的香蕉状结构和分子间的π-π相互作用使其形成了一个类似聚合物的共轭分子链,并最终在晶格的有序排列下形成了二维电子输运网络。由于其face-on的堆积方式使得这种类似聚合物的共轭主链沿着out-of-plane方向倾斜、延伸,改善了垂直方向的电荷传输。同时,器件性能在很大程度上取决于薄膜形貌,加工溶剂和热退火可以调节晶体堆积方式和结晶性。通过优化二者,可以实现开路电压、短路电流和填充因子的最佳平衡,从而获得16.88%的器件效率。这种形貌结构改善了载流子的传输及电子、空穴的超快转移。利用掠入射广角X射线散射(GIWAXS)、共振软X射线散射(R-SoXS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)等表征方法详细研究了薄膜形貌,建立了结构、性能的构效关系。这项工作对高效率有机太阳能电池体系从材料结构解析到器件优化进行了全面细致的分析,揭示了薄膜形貌的重要性以及形貌对器件性能的影响机制,有助于进一步推动有机太阳能电池领域的发展。该成果发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201904234)上。上海交通大学化学化工学院博士后朱磊,张明博士为论文的共同第一作者,上海交通大学化学化工学院刘烽教授为论文的通讯作者。