李永舫

(中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190)

有機(jī)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(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。有機(jī)太陽能電池因其低成本、輕柔、可印刷制備等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)小分子給體光伏材料的設(shè)計(jì)合成及其在反向結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用研究中獲得重要進(jìn)展。他們合成了氟代可溶性有機(jī)小分子給體光伏材料(見圖 1)，通過分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了活性層形貌和相結(jié)構(gòu)的精細(xì)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(jī)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(bào)導(dǎo)的可溶性有機(jī)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(jī)光伏材料設(shè)計(jì)、有機(jī)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(jī)小分子給體光伏材料3和有機(jī)小分子誘導(dǎo)結(jié)晶的三元體系有機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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(jī)光伏材料的設(shè)計(jì)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