武汉理工王涛教授AM：高达19%！非富勒烯受体纤维化提升有机太阳能电池效率

一、【导读】

有机太阳能电池（OSCs）由于其力学柔性、质轻和可溶液加工等优点，已显示出作为清洁能源技术的巨大潜力。随着研究人员在分子设计和器件工程方面的努力，OSCs的性能在过去几年中得到了极大的改善，导致单结OSCs的光电转换效率（PCE）超过19%。OSC的结构特点是电极和界面缓冲层夹着体异质结（BHJ）活性层，其中BHJ活性层包含了由供体和受体相分离所形成的互穿网络。尽管体异质结活性层中供激子解离的供体/受体界面足够多，但往往供体/受体相过度混合，从而阻碍器件运行过程中的电荷传输和收集，导致过高的电荷复合，阻止器件性能的进一步提升。非富勒烯受体（NFA）的结构有序性和聚集对其与电子供体所形成的光伏混合物的光吸收、相分离和电荷传输特性至关重要，并决定了相应电池器件的光电转换效率（PCE）。

二、【成果掠影】

近日，武汉理工大学王涛教授课题证明了在稠环添加剂分子1-氟萘（FN）的帮助下小分子NFA L8-BO实现纤维化，从而大幅提高器件的电荷传输性能和光电转换效率。分子动力学模拟表明，FN作为分子桥附着在L8-BO的骨架上，增强分子间堆积，诱导L8-BO一维自组装成具有紧密多晶结构的细纤维。L8-BO纤维被整合到以D18为供体的赝本体异质结（P-BHJ）活性层中，显示出增强的光吸收、电荷传输和收集性能，导致D18/L8-BO二元P-BHJ 器件的PCE从16.0%提高到前所未有的19.0%，填充因子（FF）高达80%。这项工作展示了一种纤维化电子受体提高器件性能的策略。研究成果以题为“Fibrillization of Non-Fullerene Acceptors Enables 19% Efficiency Pseudo-Bulk Heterojunction Organic Solar Cells”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

三、【核心创新点】

通过分子动力学模拟揭示了L8-BO纤维化的形成机制，并通过光诱导力显微镜对L8-BO和混合膜中 L8-BO纤维结构进行了表征。L8-BO的纤维使赝本体异质结有机太阳能电池的PCE达到19.0%，FF超过80%。

四、【论文掠影】

图1、薄膜的形态表征 ©2022 Wiley

（a）L8-BO和各种溶剂的化学结构。

（b-c）CF、Tol和FN构筑的L8-BO膜的2D GIWAXS图案。

（d-f）AFM的高度图像。

（g-j）由不同溶剂构筑的L8-BO膜的2D GISAXS图案，以及沿q_xy轴的相应的1D GISAXS图案。

图二、分子动力学模拟 ©2022 Wiley

（a）分子动力学模拟揭示了由三种不同二聚体（W1、W2和S）组成的L8-BO的分子堆积示意图。

（b-c）在FN存在和不存在的情况下，各种L8-BO二聚体的构型和吸收能：（b）W1-1（在双噻吩单元上吸收的FN）、（c）W1-2（在端基吸收的FN）、（d）S、（e）W2。

图三、器件性能分析 ©2022 Wiley

（a）器件的J-V特性。

（b）基于D18:L8-BO（CF）BHJ、D18/L8-BO（CF）和D18/L8-BO（Tol+FN）P-BHJ的OSCs的EQE谱。

（c）平面外衍射图。

（d-f）2D GIWAXS图案。

（g-j）D18:L8-BO（CF）BHJ、D18/L8-BO（CF）和D18/L8-BO（Tol+FN）P-BHJ膜的2D GISAXS图案，以及沿q_xy轴的相应1D GISAXS图案。

图四、形态学研究 ©2022 Wiley

（a-c, e-g, i-k）D18:L8-BO（CF）BHJ、D18/L8-BO（CF）和D18/L8-BO（Tol + FN）P-BHJ薄膜在1459 cm^-1观察的D18、1532 cm^-1观察的L8-BO以及重叠图像的PiFM图像。

（d, h, l）D18：L8-BO（CF）BHJ OSC、D18/L8-BO（CF）和D18/L8-BO（Tol + FN）P-BHJ OSCs沿垂直方向的示意图。

五、【总结展望】

综上所述，研究人员通过使用稠环分子添加剂FN来调节P-BHJ活性层中非富勒烯受体L8-BO的分子堆积，实现了精细的纤维状电荷传输网络。分子动力学模拟表明，FN附着在L8-BO的共轭骨架上，增加L8-BO骨架的堆积，并将L8-BO分子组装成1D纤维，通过光诱导力显微镜证实，在纯膜和D18的各种混合膜中都观察到纤维状结构。致密紧凑的L8-BO纤维导致增强的光吸收和电荷传输，其在阴极界面附近的富集有助于P-BHJ OSCs中更有效的电荷收集。使用更绿色的Tol+FN溶剂制备的D18/L8-BO P-BHJ器件获得了19.0%的优异PCE和80%的FF，这是基于D18的二元OSC的最佳值。

文献链接：Fibrillization of Non-Fullerene Acceptors Enables 19% Efficiency Pseudo-Bulk Heterojunction Organic Solar Cells (Adv. Mater., 2022, 2208211)