Advanced Functional Materials:主客体分子间相互作用机制对三组分有机太阳能电池性能的影响

三元有机太阳能电池(ternary organic solar cells, TOSCs)作为一种有效拓宽光伏响应范围的策略,在近年来得到了国内研究人员的广泛关注并取得了快速发展。这主要得益于TOSCs具有和二元器件相似的简单制备工艺以及非富勒烯受体的蓬勃发展所带来的丰富材料来源,目前基于高效非富勒烯受体Y6体系的TOSCs光伏效率已经达到18%。TOSCs具有良好的机械性能,透光性和大面积加工的可能性,在半透明、柔性等电子器件领域有着巨大的发展潜力。然而并不是所有能级匹配、吸收光谱互补的材料都可以作为客体来制备三元器件。因为相对于主体二元体系来说,第三组分(客体)的引入可能会破坏原来二元共混膜内有序的分子堆积和纳米互穿网络,进而增加复合损失,降低能量转换效率。因此,第三组分需要与主体材料具有良好的兼容性,才能确保客体的引入是作为形貌调控剂而非复合中心或者形貌陷阱。主客体之间的兼容性虽然可以通过一些测试手段来研究,然而对于第三组分的选择目前更多的是基于经验或者试错法。

中科院青岛能源所包西昌研究员、李永海副研究员,江汉大学阳仁强教授等人合作在TOSCs主客体相互作用的研究取得重要进展。在前期对烷基侧链-芳香末端新型侧链受体LA1的研究基础上(Adv. Mater. 2019, 1807832),通过调控受体的封端基团设计了结晶性更强的材料LA9。相比于结晶性适中的LA1,LA9过强的自聚集性造成二元活性层产生严重的相分离及较高的电荷复合损失,使得二元电池PM6:LA9的最高光伏效率(13.12%)要弱于PM6:LA9二元体系(13.89%)。尽管如此,LA9和LA1作为第三组分加入二元主体体系PM6:NCBDT-4Cl (PCE=13.48%)中,所构建的两组TOSCs光伏效率均有大幅提升(>15%)。相比于LA1三元器件(15.39%),LA9三元电池具有更高的光伏效率(15.75%),是目前非Y6三元体系的最高效率值。考虑到LA9相对于LA1具有更高的LUMO能级,因此如果排除开路电压的影响,LA9在调控三元形貌方面实际上要更加优于LA1客体。研究发现,尽管LA9具有比LA1更强的材料结晶性,然而LA9与主体给受体分子之间均具有相对较弱的分子间相互作用力。客体受体与给体之间适度的相互作用有利于给体分子更为有序的分子堆积,而客体受体与主体受体之间相对较弱的相互作用可以促使二者之间具有更高的兼容性,从而极大地优化三元体系的分子取向和纳米形貌,提高电荷传输性能,抑制复合损失,这也是LA9三元器件要更优于LA1三元器件的内在机制。相关工作在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202007088)。相比于已报道的高效率三元器件,该工作深入研究了客体组分在三元体系内与主体给受体材料之间的相互作用,为发展高效率的三元有机太阳能电池提供了一个新的研究思路。

该工作得到了国家自然科学基金委,山东省自然科学基金委,大连化物所-青岛能源所两所融合项目,山东能源研究院,上海光源杨春明研究员等的大力支持。论文第一作者为中科院青能所博士生姜焕祥。