有機小分子太陽能電池：氟代對活性層形貌的精確調控

李永舫

(中國科學院化學研究所，北京 100190)

有機小分子太陽能電池：氟代對活性層形貌的精確調控

李永舫

(中國科學院化學研究所，北京 100190)

隨著人們對能源和環境問題的重視，太陽能利用已經成為一個非常重要的研究領域。有機太陽能電池因其低成本、輕柔、可印刷制備等優點，成為具有重要應用前景的太陽能利用方式之一。近年來可溶性有機小分子光伏材料以其分子結構明確、高純度、高重復性等優勢引發了科學家們的研究興趣1。

在有機太陽能電池的研究中，反向結構器件具有更好的穩定性，因此提高反向結構有機太陽能電池的效率具有更加重要的意義。最近，國家納米科學中心魏志祥研究員課題組在可溶液加工有機小分子給體光伏材料的設計合成及其在反向結構有機太陽能電池中的應用研究中獲得重要進展。他們合成了氟代可溶性有機小分子給體光伏材料(見圖 1)，通過分子設計實現了活性層形貌和相結構的精細調控，并與西安交通大學馬偉課題組合作，精確表征了活性層微相結構。這種氟代有機分子在基于 PC71BM 受體的反向結構器件中獲得了 11.3%的光電能量轉換效率，這是目前報導的可溶性有機小分子太陽能電池的最高效率。相關研究成果發表在近期的Nature Communications上2。

圖1 氟代分子的化學結構、活性層相結構示意圖和器件性能曲線

該課題組長期致力于高效率有機光伏材料設計、有機太陽能電池活性層形貌調控和器件性能優化，前期發展了裁剪型高效率有機小分子給體光伏材料3和有機小分子誘導結晶的三元體系有機光伏電池4。他們在前期研究的基礎上，這次巧妙地利用可溶性有機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，實現了分子能級和活性層形貌的協同優化。一方面，氟化端基可以降低材料的最高占據分子軌道(HOMO)能級和光學帶隙；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，這有利于反向結構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使電荷分離和傳輸更趨于平衡，減少了電荷的復合和能量損失，從而實現了器件效率的顯著提升。基于此，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構，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控的顯著作用，并指出了其與器件性能之間的內在關系，對高效率有機光伏材料的設計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