Advanced Energy Materials:在全小分子有机太阳能电池取得重要进展

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,近些年受到研究人员的广泛关注。相比较于聚合物基太阳能电池,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。针对于该问题,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%。

近期,中科院宁波材料所葛子义团队围绕该问题,在全小分子有机太阳能电池取得了进一步进展。

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,系统地研究了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:i) 相比较于TA,高溶解度的溶剂能诱导更强的分子相互作用,从而更好的促进分子移动,提高分子的J-聚集和分子互连;ii) 选择性溶解给体的CS2能更好的优化给体相结构,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;iii) CS2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。

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),浙江省自然科学基金 (LR16B040002),国家自然科学基金(51773212,81903743),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)的支持

(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)

论文信息:

Solvent Annealing Enables 15.39% Efficiency All‐Small‐Molecule Solar Cells through Improved Molecule Interconnection and Reduced Non‐Radiative Loss

Jinfeng Ge, Ling Hong, Wei Song, Lin Xie, Jinsheng Zhang, Zhenyu Chen, Kuibao Yu, Ruixiang Peng, Xiaoli Zhang, Ziyi Ge*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100800