中國科學院寧波材料技術與工程研究所在高效率有機太陽能電池研究中取得進展

近年來，有機太陽能電池（OSCs）由于具有質量輕、靈活性強、可溶液方法加工和適合印刷生產等優點，被認為是具有廣泛應用前景的新一代綠色能源技術。如何提升OSCs器件的效率是該領域的研究重點。其中，“三元策略”是一種有效的方法，它可以同時利用不同類型材料的光譜響應范圍、電子遷移率和結晶性等優勢來提升器件的光伏參數。然而，第三組分的加入也會對原有活性層的形貌、分子間相互作用等造成影響，因此，選擇合適的第三組分是通過“三元策略”提升效率的關鍵。

近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員葛子義團隊在前期高效率和柔性有機太陽能電池研究的基礎上（Nature Photonics, 2015, 9, 520; Advanced Materials, 2018, 30, 1800075; Advanced Materials, 2019, 31,201902210;Angew.Chem.Int.Ed.,2020,59,2808.），在高效率有機太陽能研究中取得了新進展。該團隊設計合成了新型苯基取代苯并二噻吩（BDT）為中心核的小分子給體，通過三元共混策略引入D18-Cl:Y6 體系，獲得單結剛性18.5%和柔性15.9%的效率，是目前公開報道的單結剛性和柔性有機太陽能電池的最高效率之一。

該研究中，研究人員分別以二噻吩并噻咯（DTS）和環戊二噻吩（DTC）為π 電子連接單元，合成了小分子給體G19 和G17。由于較長的C-Si 鍵減小了位阻（C-Si vs C-C:1.87? vs 1.53?），G19 在In Plane 方向上表現出很強的π-π堆積峰，展現出強的edge-on 取向，G17 則表現出各向同性的特點。通過三元策略摻入D18-Cl:Y6 體系，基于G19 的三元器件獲得了18.53%的效率，G17的效率略微下降至17.13%。高度有序的小分子給體客體G19的引入較好調控了薄膜的形貌，使得三元共混薄膜能夠形成很強的π-π堆積，顯著提高了OSCs的填充因子。與基于D18-Cl:Y6的二元器件相比，三元器件電流密度的增加可歸因于光譜的互補吸收以及可以形成更好的異質結形貌，且客體的引入為電荷解離和提取提供了更多通道。同時，基于Ag NWs/PH1000/PET 的柔性透明電極而制備的無ITO 的器件PCE達15.9%，且具有較好的機械穩定性，在1000次連續循環彎曲（彎曲半徑r=3 mm）后仍能夠保持初始PCE的93%。

相關研究成果以Small Molecular Donor Guest Achieves Rigid 18.5% and Flexible 15.9% Efficiency Organic Pho‐tovoltaic via Fine-tuning Microstructure Morphology 為題，發表在Joule 上。研究工作獲得國家杰出青年科學基金、國家重點研發計劃、寧波市科技創新2025重大專項、中科院前沿科學研究重點項目等的支持。