有機小分子太陽能電池：氟代對活性層形貌的精確調(diào)控

李永舫

(中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190)

有機小分子太陽能電池：氟代對活性層形貌的精確調(diào)控

李永舫

(中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190)

隨著人們對能源和環(huán)境問題的重視，太陽能利用已經(jīng)成為一個非常重要的研究領(lǐng)域。有機太陽能電池因其低成本、輕柔、可印刷制備等優(yōu)點，成為具有重要應(yīng)用前景的太陽能利用方式之一。近年來可溶性有機小分子光伏材料以其分子結(jié)構(gòu)明確、高純度、高重復(fù)性等優(yōu)勢引發(fā)了科學(xué)家們的研究興趣1。

在有機太陽能電池的研究中，反向結(jié)構(gòu)器件具有更好的穩(wěn)定性，因此提高反向結(jié)構(gòu)有機太陽能電池的效率具有更加重要的意義。最近，國家納米科學(xué)中心魏志祥研究員課題組在可溶液加工有機小分子給體光伏材料的設(shè)計合成及其在反向結(jié)構(gòu)有機太陽能電池中的應(yīng)用研究中獲得重要進展。他們合成了氟代可溶性有機小分子給體光伏材料(見圖 1)，通過分子設(shè)計實現(xiàn)了活性層形貌和相結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控，并與西安交通大學(xué)馬偉課題組合作，精確表征了活性層微相結(jié)構(gòu)。這種氟代有機分子在基于 PC71BM 受體的反向結(jié)構(gòu)器件中獲得了 11.3%的光電能量轉(zhuǎn)換效率，這是目前報導(dǎo)的可溶性有機小分子太陽能電池的最高效率。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的Nature Communications上2。

圖1 氟代分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、活性層相結(jié)構(gòu)示意圖和器件性能曲線

該課題組長期致力于高效率有機光伏材料設(shè)計、有機太陽能電池活性層形貌調(diào)控和器件性能優(yōu)化，前期發(fā)展了裁剪型高效率有機小分子給體光伏材料3和有機小分子誘導(dǎo)結(jié)晶的三元體系有機光伏電池4。他們在前期研究的基礎(chǔ)上，這次巧妙地利用可溶性有機小分子的端基受體單元中氟原子帶來的分子間作用力的改變，實現(xiàn)了分子能級和活性層形貌的協(xié)同優(yōu)化。一方面，氟化端基可以降低材料的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)能級和光學(xué)帶隙；另一方面，氟原子的引入可以降低分子的表面能以及與富勒烯受體的相容性，從而誘導(dǎo)了材料在水平方向上的多級次相尺寸分布：相純度高的大尺寸顆粒(約 100 nm，有利于電荷傳輸)和小尺寸顆粒(約 15 nm，有利于增加給受體界面面積和激子電荷分離)共存；在垂直方向上，氟化端基提高了活性層表面給體材料的富集程度，在正極表面形成了電子阻擋層，這有利于反向結(jié)構(gòu)器件光伏性能的提高。這種多級次相尺寸的分布和表面富集效應(yīng)使電荷分離和傳輸更趨于平衡，減少了電荷的復(fù)合和能量損失，從而實現(xiàn)了器件效率的顯著提升?；诖?，該課題組提出了反向器件活性層形貌的理想模型：在水平方向上形成多尺度納米組裝結(jié)構(gòu)，在垂直方向上形成有利于電荷收集的垂直相分布。該工作深入闡述了氟代小分子光伏材料對形貌調(diào)控的顯著作用，并指出了其與器件性能之間的內(nèi)在關(guān)系，對高效率有機光伏材料的設(shè)計具有重要的借鑒意義。

(1) Li,Y.F.Acc.Chem.Res.2012,45,723.doi:10.1021/ar2002446

(2) Deng,D.;Zhang,Y.;Zhang,J.;Wang,Z.;Zhu,L.;Fang,J.;Xia, B.;Lu,K.;Ma,W.;Wei,Z.X.Nat.Commun.2016,7,13740. doi:10.1038/ncomms13740

(3)Yuan,L.;Lu,K.;Xia,B.;Zhang,J.;Wang,Z.;Deng,D.;Fang,J.; Zhu,L.;Wei,Z.X.Adv.Mater.2016,28,5980.doi:10.1002/ adma.201600512

(4) Zhang,Y.;Deng,D.;Lu,K.;Zhang,J.;Xia,B.;Zhao,Y.;Fang, J.;Wei,Z.X.Adv.Mater.2015,27,1071.doi:10.1002/ adma.201404902

10.3866/PKU.WHXB201701031