以下文章來源于北京理工大學新聞網：
北航新聞網5月11日電（通訊員 孫艷明）2021年5月10日，《Nature Energy》雜志以在線全文Article的形式發表了北京航空航天大學化學學院孫艷明教授課題組與上海交通大學劉烽教授課題組在有機太陽能電池領域的最新研究成果“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，北京航空航天大學化學學院為第一完成單位。
有機太陽能電池作為一種清潔無污染的新型光伏技術，具有成本低、質量輕，柔性和可溶液法加工等優勢，受到了科研界和工業界的廣泛關注。近年來，隨著非富勒烯受體分子的快速發展，有機太陽能電池的光電轉換效率不斷取得突破，目前最高效率已超過18%。然而，相較于傳統硅基和鈣鈦礦太陽能電池，有機太陽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一步提升。因此，深入理解材料的化學結構、聚集態結構、形貌和器件性能之間的關系，發展新型有機光伏材料，進而制備出兼具高效率、低電壓損失和高填充因子的有機太陽能電池，是目前科研人員一直關注和致力于解決的關鍵科學問題。
孫艷明教授課題組利用傳統的支化側鏈取代策略，優化了非富勒烯受體分子的分子堆積，構建了多尺度共混薄膜形貌，制備出了單結器件效率高達18.32%、電壓損失為0.55 V和填充因子為81.5%的有機太陽能電池。該研究工作展示出了支化側鏈拓撲結構在優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，為進一步設計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化學結構、光物理特性以及光伏器件性能比較圖。
研究團隊從聚集態調控角度對明星非富勒烯受體分子Y6進行優化設計，將噻吩β位進行支化烷基鏈取代，設計合成了一系列L8-R受體分子（圖1）。Y6噻吩β位是調控分子堆積的核心位點，這是因為受體-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的π–π堆積提供，中間核噻吩β位在正交方向上能對p-p堆積進行有效調控。通常情況下，支化側鏈修飾會減弱分子堆積，但由于Y6分子的香蕉型構型，支化側鏈修飾可以平衡主鏈堆積與側鏈作用，獲得新型優化的分子堆積模式（圖2）。L8-R系列分子的堆積系數與π–π堆積距離均獲得提升。此外，L8-R分子呈現出三種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。相關結果在單晶結構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射線散射圖。
掠入射廣角X射線散射測試表明, L8-BO薄膜非晶區域較小，整體結構有序度高于Y6薄膜（圖2）。差示掃描量熱法測試和電荷遷移率驗證了以上結論。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建多尺度共混薄膜形貌，同時實現高載流子生成、低電荷復合和更為平衡的電荷傳輸。這些特性有助于制備出同時兼具低電壓損失、高開路電壓和高填充因子的有機太陽能電池。基于PM6:L8-BO的正向單結光伏器件效率高達18.32%，并得到了中國計量科學研究院的驗證，驗證效率為17.9%。而基于PM6:Y6的正向光伏器件效率僅為16.61%。
支化側鏈取代策略進一步拓展到了不同的具有香蕉型結構的非富勒烯受體分子上，相對比于直鏈側鏈取代的分子，對應器件的光伏性能都得到大幅度提升，展示了支化側鏈取代策略在優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劉烽教授，華南理工大學解增旗教授，瑞典林雪平大學高峰教授，武漢大學閔杰研究員，鄭州大學魏東輝副教授，中國科學院化學研究所易院平研究員，香港科技大學顏河教授的大力合作和幫助。研究工作也得到了國家杰出青年科學基金（51825301）、國家自然科學基金重點項目（21734001，21734009，21733005）、國家自然科學面上基金（51973110，21674007）、國家自然科學基金中德合作研究項目（51761135101）以及教育部111引智計劃（B14009）等項目的資助。
該論文的原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-021-00820-x
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