以下文章來(lái)源于北京理工大學(xué)新聞網(wǎng)：
北航新聞網(wǎng)5月11日電（通訊員 孫艷明）2021年5月10日，《Nature Energy》雜志以在線(xiàn)全文Article的形式發(fā)表了北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院孫艷明教授課題組與上海交通大學(xué)劉烽教授課題組在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的最新研究成果“Non-fullerene acceptors with branched side chains and improved molecular packing to exceed 18% efficiency in organic solar cells”。北航李超博士和華南理工大學(xué)周家東博士為第一作者，孫艷明教授和劉烽教授為通訊作者，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院為第一完成單位。
有機(jī)太陽(yáng)能電池作為一種清潔無(wú)污染的新型光伏技術(shù)，具有成本低、質(zhì)量輕，柔性和可溶液法加工等優(yōu)勢(shì)，受到了科研界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，隨著非富勒烯受體分子的快速發(fā)展，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率不斷取得突破，目前最高效率已超過(guò)18%。然而，相較于傳統(tǒng)硅基和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池較大的電壓損失和較低的填充因子極大地限制了其效率的進(jìn)一步提升。因此，深入理解材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、形貌和器件性能之間的關(guān)系，發(fā)展新型有機(jī)光伏材料，進(jìn)而制備出兼具高效率、低電壓損失和高填充因子的有機(jī)太陽(yáng)能電池，是目前科研人員一直關(guān)注和致力于解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
孫艷明教授課題組利用傳統(tǒng)的支化側(cè)鏈取代策略，優(yōu)化了非富勒烯受體分子的分子堆積，構(gòu)建了多尺度共混薄膜形貌，制備出了單結(jié)器件效率高達(dá)18.32%、電壓損失為0.55 V和填充因子為81.5%的有機(jī)太陽(yáng)能電池。該研究工作展示出了支化側(cè)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在優(yōu)化分子堆積和薄膜形貌以及提升器件性能等方面的重要性，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)與合成高性能非富勒烯受體分子提供了新的思路。
圖1. L8-R和Y6化學(xué)結(jié)構(gòu)、光物理特性以及光伏器件性能比較圖。
研究團(tuán)隊(duì)從聚集態(tài)調(diào)控角度對(duì)明星非富勒烯受體分子Y6進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將噻吩β位進(jìn)行支化烷基鏈取代，設(shè)計(jì)合成了一系列L8-R受體分子（圖1）。Y6噻吩β位是調(diào)控分子堆積的核心位點(diǎn)，這是因?yàn)槭荏w-給體-受體型非富勒烯受體分子的傳輸通道主要由末端基團(tuán)的π–π堆積提供，中間核噻吩β位在正交方向上能對(duì)p-p堆積進(jìn)行有效調(diào)控。通常情況下，支化側(cè)鏈修飾會(huì)減弱分子堆積，但由于Y6分子的香蕉型構(gòu)型，支化側(cè)鏈修飾可以平衡主鏈堆積與側(cè)鏈作用，獲得新型優(yōu)化的分子堆積模式（圖2）。L8-R系列分子的堆積系數(shù)與π–π堆積距離均獲得提升。此外，L8-R分子呈現(xiàn)出三種π–π堆積模式，而Y6分子為兩種。晶體堆積方式越多越有利于電荷的躍遷，形成更多的電荷傳輸通道。相關(guān)結(jié)果在單晶結(jié)構(gòu)和器件性能上均得到充分論證。
圖2. L8-R和Y6單晶堆積以及薄膜X射線(xiàn)散射圖。
掠入射廣角X射線(xiàn)散射測(cè)試表明, L8-BO薄膜非晶區(qū)域較小，整體結(jié)構(gòu)有序度高于Y6薄膜（圖2）。差示掃描量熱法測(cè)試和電荷遷移率驗(yàn)證了以上結(jié)論。L8-BO的熱焓值為38.5 J/g,高于Y6的熱焓值28.4 J/g。L8-BO薄膜的電子遷移率為6.79×10–4cm2V-1s-1，高于Y6的電子遷移率值4.49×10–4cm2V-1s-1。L8-BO較好的分子有序性有助構(gòu)建多尺度共混薄膜形貌，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高載流子生成、低電荷復(fù)合和更為平衡的電荷傳輸。這些特性有助于制備出同時(shí)兼具低電壓損失、高開(kāi)路電壓和高填充因子的有機(jī)太陽(yáng)能電池。基于PM6:L8-BO的正向單結(jié)光伏器件效率高達(dá)18.32%，并得到了中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的驗(yàn)證，驗(yàn)證效率為17.9%。而基于PM6:Y6的正向光伏器件效率僅為16.61%。
支化側(cè)鏈取代策略進(jìn)一步拓展到了不同的具有香蕉型結(jié)構(gòu)的非富勒烯受體分子上，相對(duì)比于直鏈側(cè)鏈取代的分子，對(duì)應(yīng)器件的光伏性能都得到大幅度提升，展示了支化側(cè)鏈取代策略在優(yōu)化非富勒烯受體分子方面具有普適性。
該工作得到了上海交通大學(xué)劉烽教授，華南理工大學(xué)解增旗教授，瑞典林雪平大學(xué)高峰教授，武漢大學(xué)閔杰研究員，鄭州大學(xué)魏東輝副教授，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所易院平研究員，香港科技大學(xué)顏河教授的大力合作和幫助。研究工作也得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（51825301）、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（21734001，21734009，21733005）、國(guó)家自然科學(xué)面上基金（51973110，21674007）、國(guó)家自然科學(xué)基金中德合作研究項(xiàng)目（51761135101）以及教育部111引智計(jì)劃（B14009）等項(xiàng)目的資助。
該論文的原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-021-00820-x
相關(guān)產(chǎn)品推薦：
有任何疑問(wèn)請(qǐng)聯(lián)系我們：
QQ：250973543
微信：15889762949
手機(jī)：15889762949
