【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】全小分子太陽(yáng)能電池(ASM-OSCs)具有材料分子結(jié)構(gòu)明確、提純方式簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，避免了聚合物太陽(yáng)能電池器件批次性差異大的缺點(diǎn)，是有機(jī)太陽(yáng)電池的重要研究方向之一。然而，小分子共軛骨架短、結(jié)晶速度快的特點(diǎn)，使得活性層形貌難以調(diào)控，器件光電轉(zhuǎn)換效率依然落后于聚合物太陽(yáng)能電池。目前，由于形貌控制的手段有限，開(kāi)發(fā)新型高效的小分子給體和受體仍然是提高ASM-OSCs效率的最重要策略。
 

　　在前期工作中，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員魏志祥團(tuán)隊(duì)在共軛小分子給體設(shè)計(jì)和形貌調(diào)控方面取得系列進(jìn)展。通過(guò)擴(kuò)大給體中間給電子單元的稠環(huán)結(jié)構(gòu)提高材料的結(jié)晶性設(shè)計(jì)合成了小分子給體ZR1，與非富勒烯受體Y6共混后實(shí)現(xiàn)多級(jí)次形貌的有效調(diào)控(Nat. Commun., 2019, 10, 5393)；通過(guò)側(cè)鏈苯基烷硫鏈位置異構(gòu)化設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)給體M-PhS，協(xié)同優(yōu)化了有序堆積和高相容性，構(gòu)筑了相尺度多級(jí)次分布的活性層形貌，實(shí)現(xiàn)了電荷分離和傳輸?shù)钠胶?，基于M-PhS: BTP-eC9的器件達(dá)到了16.2%(Adv. Mater. 2022, 34, 2106316)。
 

　　近日，在上述工作基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在ZR1側(cè)基噻吩單元上引入硅氧烷基鏈，設(shè)計(jì)合成了三個(gè)具有不同表面張力的小分子給體(ZR1-C8，ZR-SiO和ZR-SiO-EH)(圖1)。通過(guò)給受體之間的表面張力差異來(lái)調(diào)節(jié)分子間相容性，其中ZR-SiO-EH:Y6共混薄膜表現(xiàn)出更好的納米級(jí)雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)形貌，具有較小的相區(qū)尺寸和有序的分子堆積，保證了有效的激子解離和電荷傳輸。
 

　　此外，有序的分子取向以及給受體之間減小的電子占據(jù)最高分子軌道(HOMO)的能級(jí)差將非輻射能量損失降低至0.2 eV，從而實(shí)現(xiàn)了ASM-OSCs 0.87 V的高開(kāi)路電壓。因此，基于ZR-SiO-EH:Y6的器件表現(xiàn)出16.4% 的高轉(zhuǎn)換效率。
 

　　結(jié)果表明，通過(guò)引入硅氧烷基鏈調(diào)節(jié)分子間相容性以獲得有序的相分離形貌，為設(shè)計(jì)高性能ASM-OSCs提供了一種有效的方法。相關(guān)研究成果以Regulating phase separation and molecular stacking by introducing siloxane to small-molecule donors enables high efficiency all-small-molecule organic solar cell為題發(fā)表在Energy & Environmental Science上。
 

　　小分子給體設(shè)計(jì)中，除了上述對(duì)中間給電子單元的修飾，末端吸電子單元的改動(dòng)在調(diào)控其溶解度、能級(jí)、分子堆積模式中也起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)將小分子給體的端基烷基鏈從己基(MPhS-C6)縮短到乙基(MPhS-C2)，在獲得緊密π-π堆積同時(shí)降低了其結(jié)晶性對(duì)熱退火的敏感性(圖2)。MPhS-C6由于其端基長(zhǎng)烷基鏈的自由旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的柔性，其結(jié)晶行為對(duì)熱敏感，在器件熱退火時(shí)HOMO能級(jí)和結(jié)晶行為大幅提升。
 

　　短烷基鏈的MPhS-C2降低了其對(duì)熱退火的敏感性，從而降低了HOMO能級(jí)上升幅度和其結(jié)晶尺度。再加上短烷基鏈致密性堆積的特性，保證了其在較小相分離尺度下的有效電荷傳輸。當(dāng)使用BTP-eC9作為受體時(shí)，與MPhS-C6相比，基于MPhS-C2：BTP-eC9器件的非輻射能量損失從0.247 eV降低到0.192 eV，效率從16.2%提升至17.11%，實(shí)現(xiàn)了ASM-OSCs效率的突破。由于活性層薄膜致密性的提高和熱聚集敏感性的降低，器件的光、熱穩(wěn)定性都得到明顯提高。
 

　　該研究強(qiáng)調(diào)了通過(guò)小分子給體設(shè)計(jì)獲得優(yōu)化活性層形貌的關(guān)鍵作用，對(duì)高效率有機(jī)共軛小分子的合成具有重要指導(dǎo)意義。相關(guān)研究成果以Donor End-capped Alkyl Chain Length Dependent Non-Radiative Energy Loss in All-small-molecule Organic Solar Cells為題發(fā)表在Advanced Materials上。
 

　　上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)等項(xiàng)目的支持。
 

　　圖1 a)小分子給體化學(xué)結(jié)構(gòu)；b)三個(gè)小分子給體的表面能測(cè)試(左邊測(cè)試溶劑是二次水，右邊為1，2-二碘甲烷)；c)共混薄膜的透射電子顯微鏡形貌圖；d)共振軟X射線散射曲線；e)共混薄膜形貌示意圖(200nm，紅色和藍(lán)色的小模塊分別代表給體和受體)
 

　　圖2  a)小分子給體化學(xué)結(jié)構(gòu)；b)不同烷基鏈長(zhǎng)度熱聚集的驅(qū)動(dòng)力；c)不同烷基鏈長(zhǎng)度分子對(duì)熱退火聚集敏感性及能級(jí)改變示意圖；d)全小分子高效率(>14%)及其能量損失總結(jié)表，星型標(biāo)記為此工作報(bào)導(dǎo)結(jié)果