Adv. Mater.:精细的分子结构剪裁优化共混膜形貌，制备光电转化效率超16%的有机太阳能电池

Adv. Mater.:精细的分子结构剪裁优化共混膜形貌，制备光电转化效率超16%的有机太阳能电池

【引言】

由p型和n型聚合物或小分子组成的本体异质结有机太阳能电池（BHJ-OSCS），拥有柔性、便携和半透明等优点，因此受到了研究者的广泛关注。基于非富勒烯电子受体（NFAs）的OSCs具有在可见光和近红外区域强吸收和能级易于调节的显著优点，最近在单结和叠层器件中获得了16%以上的高效率。NFAs共混薄膜可以在几乎不需要能级驱动力的情况下实现快速电荷分离，因此可以有效解决有机太阳能电池中普遍存在的高能量损失的问题。理论分析表明，低能量损耗、高电荷生成的单结OSCs的功率转换效率(PCE)极限可达19%。然而，在低能量损耗的体系中如何协同优化电子结构和共混膜形貌，以最大限度地保证电荷生成和运输仍然是个艰巨的任务。具体实践中，为了最大限度地提高开路电压（V_OC），上移受体的LUMO能级或降低给体的HOMO能级是材料设计中的主流策略。抑制非辐射复合损耗是另一个已被证明可行的途径。另一方面，在宽吸收光谱区域操控电荷的高效率生成对NFA而言仍具挑战性。因此，在NFAs重塑光电转化过程中可以发现新的机遇。例如，已经证明，在接近零的给受体HOMO能级差下，可以实现具有超快空穴传输和PCE接近12%的高性能OSCs。进一步，瞬态光学研究证实，给、受体的能级差与NFAs系统中的空穴传输过程无关。因此，在下一步高性能有机光伏电池（OPV）中，实现对Voc和电荷载流子生成之间更好的新平衡是很有希望的。这种调控需要精细的共混膜形貌来保证，以实现高载流子迁移率和优秀的空穴转移，这一目标的实现又最终依赖于分子结构的精确调控。

【成果简介】

近日，中科院化学研究所、北京分子科学国家实验室朱晓张研究员团队在国际著名期刊Adv.Mater. 上发表题为“Subtle Molecular Tailoring Induces Significant Morphology Optimization Enabling over 16% Efficiency Organic Solar Cells with Efficient Charge Generation”的文章。文章采用含喹喔啉主核的新型电子受体AQx-2和PBDB-TF为给体共混，实现了16.64%的高效率二元有机太阳能电池。这一光伏性能的显著提高是仅仅通过对其姐妹分子AQx-1的分子结构进行精细、简单的剪裁而获得的。作者结合详细的形貌和瞬态吸收光谱分析，建立了良好的结构-形貌-性能关系。AQx-2薄膜中获得了较强的π-π相互作用，实现了有效的电子hopping和平衡的电子/空穴迁移率，实现了良好的电荷输运。更重要地，AQx-2共混薄膜的获得了聚集减弱、共混更好的相分离形貌，促进了空穴转移，并在电荷生成的早期时间尺度成功地抑制了严重的的单分子电荷复合。这种在分子设计和形貌方面的精细优化对实现下一代高性能的OSCs具有启发意义。

【图文简介】

图1

a）PBDB-TF、AQx-1和AQx-2的化学结构；

b）AQx-1和AQx-2在氯仿溶液和薄膜中的化紫外-可见-近红外吸收光谱；

c）OSCs所用材料的能级图；

d）2D-GIXD数据和相应的一维谱图。

图2

a）AM 1.5 G光谱（100 mW cm^-2）下OSC器件的电流-电压特性曲线和b) EQE曲线；

c）PBDB-TF:AQx-1和PBDB-TF:AQx-2器件的J_ph-V_eff依赖测试；

d）OSCs器件的带隙和能量损耗（ΔE1：带隙上的辐射损耗；ΔE2：带隙下的辐射损耗；ΔE3：非辐射损耗）。

图3

a）AQx-1和b）AQx-2共混膜的2D-GIXD；

c）一维GIXD；

d）AQx-1和e）AQx-2共混膜的TEM（500nm标度）。

图4

a）PBDB-TF:AQx-1共混膜在指示延迟时间的典型fs瞬态吸收光谱。灰线：750nm激发的纯AQx-1薄膜的TA光谱；

b）PBDB-TF:AQx-2共混膜在指示延迟时间的典型fs瞬态吸收光谱。灰线：750nm激发的纯AQx-2薄膜的TA光谱；

c）PBDB-TF:AQx-1和PBDB-TF:AQx-2空穴转移过程的TA动力学。

图5

a）PBDB-TF:AQx-1和b）PBDB-TF:AQx-2共混膜在750nm激发下的极化子吸收时间演化。

【小结】

综上所述，以含喹喔啉主核的新型电子受体AQx-2和给体PBDB-TF共混，实现了16.64%的高效二元OSCs。认证的PCE为16.4%，这是二元有机太阳能电池的最高认证值。PBDB-TF:AQx-2共混膜仅仅通过对其姐妹电子受体AQx-1的分子结构进行细微的剪裁，就重塑了光电过程，在Voc和电荷产生之间获得了更理想的平衡。AQx-2薄膜中获得了较强的π-π相互作用，实现了有效的电子hopping和平衡的电子/空穴迁移率，实现了良好的电荷输运；更重要地，AQx-2共混薄膜的获得了聚集减弱、共混更好的相分离形貌，极大地促进了空穴转移，并在电荷生成的早期时间尺度成功地抑制了严重的单分子电荷复合。基于新型含喹喔啉主核的受体分子设计与精确的形貌优化相结合的成功示范，将为下一步高性能OSCs的发展提供新的设计思考。

文献链接：Subtle Molecular Tailoring Induces Significant Morphology Optimization Enabling over 16% Efficiency Organic Solar Cells with Efficient Charge Generation, 2019, Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201906324.

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