Advanced Materials :侧链工程和热退火处理调节活性层形貌实现高性能全小分子有机太阳能电池

有机半导体(OS)材料可以制备成本低廉、质量轻便的柔性电子器件,受到了各领域研究人员的广泛关注。其中,有机太阳能电池作为有机半导体材料在光伏领域的应用,特别是在制备柔性、半透明以及室内光伏等方面具有突出优势。相比于聚合物半导体材料,小分子半导体材料具有结构确定、易于纯化等优点。然而,由于全小分子体系难以调控活性层形貌,全小分子有机太阳能电池(SM-OSC)的光电转换效率落后于聚合物太阳能电池(PSC)。因此,合适的纳米尺度相分离对于实现高效的全小分子有机太阳能电池至关重要。近年来,全小分子有机太阳能电池的效率也在不断提升,深入研究小分子结构与活性层形貌以及光伏性能之间的关系将有利于促进全小分子有机太阳能电池领域的发展。

中国科学院化学研究所李永舫课题组的研究人员基于他们之前报道的受体-给体-受体(A-D-A)型小分子给体材料SM1,设计并合成了两个其噻吩共轭侧链上具有不同取代基的小分子给体材料SM1-S和SM1-F,来研究侧链工程对小分子给体材料的聚集、形貌以及光伏性能的影响。其中,基于小分子SM1-F的SM-OSC表现出最佳的光伏性能,能量转换效率(PCE)达到14.07%,这是迄今为止所报告的SM-OSC的最高效率之一。形貌研究的结果表明,小分子给体和小分子受体的聚集行为明显不同。而且,小分子给体的不同侧链会显著影响其结晶性和聚集特性,从而影响共混薄膜活性层的形貌。此外,热退火处理可以有效地促进分子的堆积和聚集,从而促进活性层的相分离。光诱导力显微镜的结果清晰地呈现了基于SM1-F:Y6共混膜在热退火处理之后,形成了连续的给体-受体互穿的纳米尺度网络结构,从而促进了活性层的激子解离和电荷传输效率。此外,瞬态荧光结果表明热退火处理可以有效地提高SM1-F:Y6共混膜中空穴转移的速度。飞秒瞬态吸收的结果表明,热退火处理之后,SM1-F:Y6薄膜的空穴转移数量提高到两倍以上。 这项研究工作不仅实现了高效的小分子太阳能电池,而且还对侧链工程和热退火处理对纳米尺度形貌、光物理性质以及光伏性能的影响提供了深入清晰的理解。这对进一步开发新型有机光伏材料和优化全小分子有机太阳能电池的光伏性能具有一定的指导意义。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201908373),这篇论文的第一作者是博士生邱贝贝,通讯作者是孟磊博士和李永舫研究员)上。