有机小分子太阳能电池：氟代对活性层形貌的精确调控

李永舫

(中国科学院化学研究所，北京 100190)

有机小分子太阳能电池：氟代对活性层形貌的精确调控

李永舫

(中国科学院化学研究所，北京 100190)

随着人们对能源和环境问题的重视，太阳能利用已经成为一个非常重要的研究领域。有机太阳能电池因其低成本、轻柔、可印刷制备等优点，成为具有重要应用前景的太阳能利用方式之一。近年来可溶性有机小分子光伏材料以其分子结构明确、高纯度、高重复性等优势引发了科学家们的研究兴趣1。

在有机太阳能电池的研究中，反向结构器件具有更好的稳定性，因此提高反向结构有机太阳能电池的效率具有更加重要的意义。最近，国家纳米科学中心魏志祥研究员课题组在可溶液加工有机小分子给体光伏材料的设计合成及其在反向结构有机太阳能电池中的应用研究中获得重要进展。他们合成了氟代可溶性有机小分子给体光伏材料(见图 1)，通过分子设计实现了活性层形貌和相结构的精细调控，并与西安交通大学马伟课题组合作，精确表征了活性层微相结构。这种氟代有机分子在基于 PC71BM 受体的反向结构器件中获得了 11.3%的光电能量转换效率，这是目前报导的可溶性有机小分子太阳能电池的最高效率。相关研究成果发表在近期的Nature Communications上2。

图1 氟代分子的化学结构、活性层相结构示意图和器件性能曲线

该课题组长期致力于高效率有机光伏材料设计、有机太阳能电池活性层形貌调控和器件性能优化，前期发展了裁剪型高效率有机小分子给体光伏材料3和有机小分子诱导结晶的三元体系有机光伏电池4。他们在前期研究的基础上，这次巧妙地利用可溶性有机小分子的端基受体单元中氟原子带来的分子间作用力的改变，实现了分子能级和活性层形貌的协同优化。一方面，氟化端基可以降低材料的最高占据分子轨道(HOMO)能级和光学带隙；另一方面，氟原子的引入可以降低分子的表面能以及与富勒烯受体的相容性，从而诱导了材料在水平方向上的多级次相尺寸分布：相纯度高的大尺寸颗粒(约 100 nm，有利于电荷传输)和小尺寸颗粒(约 15 nm，有利于增加给受体界面面积和激子电荷分离)共存；在垂直方向上，氟化端基提高了活性层表面给体材料的富集程度，在正极表面形成了电子阻挡层，这有利于反向结构器件光伏性能的提高。这种多级次相尺寸的分布和表面富集效应使电荷分离和传输更趋于平衡，减少了电荷的复合和能量损失，从而实现了器件效率的显著提升。基于此，该课题组提出了反向器件活性层形貌的理想模型：在水平方向上形成多尺度纳米组装结构，在垂直方向上形成有利于电荷收集的垂直相分布。该工作深入阐述了氟代小分子光伏材料对形貌调控的显著作用，并指出了其与器件性能之间的内在关系，对高效率有机光伏材料的设计具有重要的借鉴意义。

(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