10月16日，記者從中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所最新科學(xué)研究揭示三元有機(jī)太陽能電池中的分子相互作用新機(jī)制。相關(guān)工作在線發(fā)表在期刊《先進(jìn)功能材料》Advanced Functional Materials(Adv. Funct. Mater. 2020, 2007088)。相比與已報(bào)道的高效率三元器件，該工作深入研究了客體組分在三元體系內(nèi)與主體給受體材料之間的相互作用，為發(fā)展高效率的三元有機(jī)太陽能電池提供了一個(gè)新的研究思路。論文第一作者是博士生姜煥祥，通訊作者包西昌研究員，陽仁強(qiáng)教授及李永海副研究員。

三元有機(jī)太陽能電池(ternary organic solar cells, TOSCs)作為一種有效拓寬光伏響應(yīng)范圍的策略，在近年來得到了國(guó)內(nèi)研究人員的廣泛關(guān)注并取得了快速發(fā)展。這主要得益于TOSCs具有和二元器件相似的簡(jiǎn)單制備工藝以及非富勒烯受體的蓬勃發(fā)展所帶來的豐富材料來源，目前基于高效非富勒烯受體Y6體系的TOSCs光伏效率已經(jīng)達(dá)到18%。TOSCs具有良好的機(jī)械性能，透光性和大面積加工的可能性，在半透明、柔性等電子器件領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而并不是所有能?jí)匹配、吸收光譜互補(bǔ)的材料都可以作為客體來制備三元器件。因?yàn)橄鄬?duì)于主體二元體系來說，第三組分(客體)的引入可能會(huì)破壞原來二元共混膜內(nèi)有序的分子堆積和納米互穿網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而增加復(fù)合損失，降低能量轉(zhuǎn)換效率。因此，第三組分需要與主體材料具有良好的兼容性，才能確?？腕w的引入是作為形貌調(diào)控劑而非復(fù)合中心或者形貌陷阱。主客體之間的兼容性雖然可以通過一些測(cè)試手段來研究，然而對(duì)于第三組分的選擇目前更多的是基于經(jīng)驗(yàn)或者試錯(cuò)法。

中科院青島能源所先進(jìn)功能材料與器件研究組在TOSCs主客體相互作用的研究取得重要進(jìn)展。在前期對(duì)烷基側(cè)鏈-芳香末端新型側(cè)鏈?zhǔn)荏wLA1的研究基礎(chǔ)上(Adv. Mater. 2019, 1807832; Adv. Funct. Mater. 2019, 1903596; Adv. Sci. 2020, 7, 1903455)，通過調(diào)控受體的封端基團(tuán)設(shè)計(jì)了結(jié)晶性更強(qiáng)的材料LA9。相比于結(jié)晶性適中的LA1，LA9過強(qiáng)的自聚集性造成二元活性層產(chǎn)生嚴(yán)重的相分離及較高的電荷復(fù)合損失，使得二元電池PM6:LA9的最高光伏效率(13.12%)要弱于PM6:LA9二元體系(13.89%)。盡管如此，LA9和LA1作為第三組分加入二元主體體系PM6:NCBDT-4Cl (PCE=13.48%)中，所構(gòu)建的兩組TOSCs光伏效率均有大幅提升(>15%)。相比于LA1三元器件(15.39%)，LA9三元電池具有更高的光伏效率(15.75%)，是目前非Y6三元體系的最高效率值?？紤]到LA9相對(duì)于LA1具有更高的LUMO能級(jí)，因此如果排除開路電壓的影響，LA9在調(diào)控三元形貌方面實(shí)際上要更加優(yōu)于LA1客體。研究發(fā)現(xiàn)，盡管LA9具有比LA1更強(qiáng)的材料結(jié)晶性，然而LA9與主體給受體分子之間均具有相對(duì)較弱的分子間相互作用力?？腕w受體與給體之間適度的相互作用有利于給體分子更為有序的分子堆積，而客體受體與主體受體之間相對(duì)較弱的相互作用可以促使二者之間具有更高的兼容性，從而極大地優(yōu)化三元體系的分子取向和納米形貌，提高電荷傳輸性能，抑制復(fù)合損失，這也是LA9三元器件要更優(yōu)于LA1三元器件的內(nèi)在機(jī)制。(記者 王健高 通訊員 劉佳)

關(guān)鍵詞： 三元有機(jī)太陽能電池