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  與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相比，有機太陽能電池具有成本低、能量回收期短、原材料豐富、重量輕、便攜、柔性和透明等突出優(yōu)點，有潛力開拓太陽能電池新的應(yīng)用領(lǐng)域，近些年來倍受科研界和工業(yè)界關(guān)注。在有機太陽能電池的發(fā)展歷程中，基于有機電子給體/受體共生的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)一直引領(lǐng)領(lǐng)域前沿。體異質(zhì)結(jié)吸光活性層的納米尺度形貌與激子擴散與解離、載流子電荷傳輸和電荷收集等物理過程密切相關(guān)，是影響有機太陽能電池器件效率的重要因素。因此，調(diào)控活性層形貌與設(shè)計合成高效的有機光電材料占有同等重要的地位。

  在基于目前報道的高效率明星聚合物給體/非富勒烯受體體異質(zhì)太陽能電池結(jié)體系（PM6：Y6）的研究中，博士后研究員嚴岑琪博士發(fā)現(xiàn)，通過添加少量向列型液晶小分子給體材料BTR，可以進一步優(yōu)化活性層的納米尺度形貌，成功構(gòu)筑了基于PM6：BTR：Y6 的三元有機太陽能電池。PM6和 BTR具有相同的苯并噻二分結(jié)構(gòu)單元，能保證材料的相容性,契合于其前期在多元聚合物給體/富勒烯受體電池的指導(dǎo)性研究（Nature Photonics 2015, 9, 190-198）。并且，液晶小分子BTR具有長程有序的排列和強結(jié)晶性，具有改善活性層結(jié)晶的潛力。實驗表明,通過添加5% 質(zhì)量分數(shù)的BTR，就足以顯著改善活性層的結(jié)晶性。與絕大多數(shù)文獻報道不同，微量的BTR分子在其中起到了形核劑的作用，在明顯提高結(jié)晶性的同時，給受體相分離尺度反而稍有減小。因此，引入BTR第三組分得以延長載流子壽命，縮短光電流衰減時間，促進激子解離，電荷傳輸和收集，最終將光電能量轉(zhuǎn)換效率由15.7% 提高至16.6%。結(jié)果表明，液晶小分子給體材料和聚合物給體材料的協(xié)同作用能夠精細調(diào)節(jié)活性層形貌并改善器件性能，為活性層的形貌優(yōu)化提供了新思路。工作近期發(fā)表于Advanced Science（AS）期刊 (“Synergy of Liquid-Crystalline Small-Molecule and Polymeric Donors Delivers Uncommon Morphology Evolution and 16.6% Efficiency Organic Photovoltaics” Adv. Sci. 2020, 2000149 DOI：10.1002/advs.202000149）。

圖1. a）PM6，BTR和Y6的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。b) 能級分布圖。c) 有機太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)。

圖2 a）PM6，BTR和Y6材料的吸收譜圖。二元及最優(yōu)三元器件的b）電流密度-電壓（J–V）曲線, c) 外量子效率（EQE）曲線, d) 光電流密度- 有效電壓（J_ph-V_eff）曲線, e) 瞬態(tài)光電壓曲線, f）瞬態(tài)光電流曲線。

圖3. a）純膜和共混膜的二維GIXD譜圖。b）純膜的一維line-cut圖。c）共混膜的一維line-cut圖。

  與聚合物給體/小分子受體體系相比，基于全小分子體系的活性層形貌更難調(diào)控。全小分子有機太陽能電池器件的制備加工過程中往往需要使用熱退火、溶劑退火和溶劑添加劑，以調(diào)控溶劑蒸發(fā)的動力學(xué)狀態(tài)，調(diào)節(jié)活性層形貌，從而實現(xiàn)高的器件效率。然而，基于全小分子給體/受體體系活性層形貌對上述器件較為敏感，上述加工工藝往往會嚴重影響器件形貌。因此，精細調(diào)節(jié)全小分子體系的活性層形貌有待進一步的研究。李剛教授與中科院重慶綠色智能技術(shù)研究所陸仕榮教授合作，提出了精細調(diào)控溶液濃度策略來進一步優(yōu)化高效率富勒烯體系“BTR：PCBM”和 非富勒烯體系“BTR-Cl：Y6”全小分子體系的活性層形貌。研究發(fā)現(xiàn)微調(diào)溶液濃度能夠提升活性層吸光系數(shù)，精細調(diào)控活性層結(jié)晶性與相分離尺度,減少載流子復(fù)合，改善電荷傳輸與收集,從而將BTR-Cl：Y6非富勒烯體系的器件效率由12.9%提升至14.7%，將BTR：PCBM富勒烯體系的厚膜器件效率由9.2%提升至10.2%。本工作近期發(fā)表于Advanced Energy Materials （AEM）期刊(“Delicate Morphology Control Triggers 14.7% Efficiency All‐Small‐Molecule Organic Solar Cells”, Adv. Energy Mater. 2020,2001076 DOI: 10.1002/aenm.202001076)。

圖4. a）近五年全小分子有機太陽能電池的器件效率總結(jié)。以不同濃度溶液制備的全小分子有機太陽能電池的b）J–V曲線，c）EQE譜圖d）J_ph-V_eff曲線。

  三元有機太陽能電池AS文章的第一作者為香港理工大學(xué)電子及資訊工程學(xué)系博士后研究員嚴岑琪博士，通訊作者為李剛教授，上海交通大學(xué)劉峰教授與香港科技大學(xué)劉燾博士。

  全小分子有機太陽能電池AEM文章第一作者是香港理工大學(xué)與中科院重慶綠色智能技術(shù)研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士生唐驊。通訊作者為李剛教授，嚴岑琪博士，與中科院重慶綠色智能技術(shù)研究所陸仕榮教授。

  李剛教授現(xiàn)為香港理工大學(xué)鐘士元爵士可再生能源教授，英國皇家化學(xué)會（RSC）Fellow， 國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE） Fellow.其研究組致力于有機太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池及其他光電子器件的研究。李剛教授發(fā)表了140余篇論文(含Nature 子刊及Science十余篇)，Google學(xué)術(shù)引用近6萬次，單篇最高引用6千余次，17篇論文超過1千次引用。李剛教授自2014年起成為 湯森路透-科維睿安 全球高被引科學(xué)家（Highly Cited Researchers – Materials Science, Physics, Chemistry）。歡迎有志于相關(guān)研究的優(yōu)秀學(xué)生報考香港理工大學(xué)博士研究生。

  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1002/advs.202000149

  https://doi.org/10.1002/aenm.202001076