Advanced Functional Materials:活性层内分子间相互作用的协同性对有机光伏性能的影响

近年来材料和器件工艺不断创新,推动了有机光伏电池的蓬勃发展。然而相比于能量转换效率(PCE)的攀升,对有机光伏内部复杂的分子间相互作用认知较少。对于二元电池而言,活性层内部的分子间相互作用包括给体分子间(D/D)、受体分子间(A/A)及给受体分子间(D/A),这些多维度的相互作用协同地影响激子的产生与分离、电荷的传输与复合及BHJ精细结构的形成。D/D及A/A分子间相互作用初步决定电荷传输通道及相分离行为,而D/A相互作用则进一步塑造两相共混的微结构。因此,理解BHJ内部这些复杂的分子间相互作用对推动有机光伏的研究具有一定的指导意义。

对此,中科院青岛能源所包西昌李永海研究团队基于其此前在小分子受体侧链(Adv. Mater. 2019, 31, 1807832; The Innovation 2021, 2, 100090)及在三元有机光伏内分子间相互作用力探究基础上(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007088),结合侧链工程及封端效应,设计了三个受体LA15-LA17(图1),开展了二元器件内A/A及D/A相互作用的协同研究。该设计通过苯烷基(C4Ph)侧链控制材料的本征的分子堆积和D/A共混性,并通过改变封端基团的电子性质进一步影响材料的结晶性和D/A相互作用。

图1. 小分子受体LA15-LA17的合成路线及结构式

研究结果表明,LA17由于单F取代DCI存在较多的异构体影响分子堆积的有序性,导致较弱的结晶性及A/A相互作用;然而F原子的取代促使分子具有更正的静电式(ESP)分布,与PM6之间的D/A相互作用能较大(Einter=-246.89 kJ mol-1)。这种较弱的A/A及较强的D/A相互作用导致过度互溶的BHJ形貌和严重的电荷复合,光伏效率低至12.07%。而LA15及LA16的ESP分布及Flory-Huggins相互作用参数(χ)均相近,与PM6之间的D/A相互作用能接近(214.99 vs. 213.49 kJ mol-1),并明显低于PM6/LA17的Einter值。尽管LA15的A/A相互作用要稍微弱于LA17,但其较为适中的D/A相互作用对于塑造BHJ的微结构及较低的电荷复合更为有利,基于LA15的器件光伏效率达到13.10%。与LA15不同的是,LA16由于封端基团上S…S相互作用促使分子堆积更为有序,A/A相互作用明显增强,适中的D/A相互作用进一步优化其相分离行为及分子堆积,器件具有更为优势的激子及电荷行为,光电流及填充因子进一步提高,PCE达到13.74%。因此,在有机光伏的研究中应关注活性层内分子间相互作用力、特别是多维度的相互作用对光伏性能的协同影响。该工作有助于加深对有机光伏体系内分子间相互作用的理解,并可为高性能光伏电池的研究设计提供一条新颖的思路。

图2. 分子间相互作用对BHJ形貌的影响示意图

论文第一作者为青岛能源所韩晨雨,通讯作者为包西昌研究员、李永海副研究员及青岛大学沈文飞副教授。该研究获得中科院青促会、国家自然科学基金、山东能源研究院等项目的资助。

论文信息:

Balancing Intermolecular Interactions between Acceptors and Donor/Acceptor for Efficient Organic Photovoltaics

Chenyu Han,‡ Jianxiao Wang,‡ Liangliang Chen, Jingfei Chen, Long Zhou, Pengchao Wang, Wenfei Shen*, Nan Zheng, Shuguang Wen, Yonghai Li*, Xichang Bao*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202107026

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107026