有機太陽電池具有低成本以及可大面積印刷加工的優勢，在未來商業化應用頗有潛力。目前，高性能有機太陽電池通常采用低沸點鹵代試劑（如氯仿）來制備。這是由于此類光伏材料可在氯仿溶劑成膜過程中形成合適的相分離，同時，制備的光伏器件可以實現電荷的高效分離與傳輸。而氯仿等鹵代溶劑毒性強，有機太陽電池的大面積工業化生產中需要使用高沸點綠色溶劑加工來避免鹵代溶劑的環境污染問題。高效有機光伏材料在非鹵溶劑中溶解度較差，同時，非鹵溶劑較長的成膜時間會導致光伏材料尤其是小分子受體過度聚集而形成大尺度相分離，從而影響電荷的有效分離與傳輸。因此，進一步修飾小分子受體的結構，調節其在非鹵溶劑中的溶解及聚集特性，從而改善電荷分離與傳輸，是提升非鹵溶劑加工有機太陽電池器件效率的重要途徑。
中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室李永舫課題組，在典型A-DA’D-A類小分子受體Y6和L8-BO的基礎上，通過在內側鏈末端引入苯環，開發了新的受體Y6-Ph和L8-Ph（分子結構如圖所示）。這一分子修飾策略可提升分子在非鹵溶劑中的器件性能。從分子設計角度，苯環具有一定的位阻效應，位阻基團的引入增加分子在非鹵溶劑中溶解性的同時降低了分子結晶性。這些特性使Y6-Ph和L8-Ph在非鹵溶劑中可以更好地分散，并減緩了分子在成膜過程中的快速聚集。這一現象通過薄膜AFM和TEM測試得到了證實。此外，苯環的引入為分子提供了更豐富的π-π相互作用位點，使分子在相對緩慢的成膜過程中自組裝形成更有序的分子堆積（示意圖如圖所示），促進其電荷傳輸性能的進一步提升。
為驗證Y6-Ph和L8-Ph在較長時間成膜過程中分子的聚集特性，課題組在高沸點氯苯溶劑中進行了器件制備。其中，以PM6為給體，Y6-Ph或L8-Ph為受體的器件，表現出比以Y6和L8-BO為受體時更合適的給-受體相分離，從而獲得了更有效的電荷分離與傳輸、更少的載流子復合。而基于PM6:L8-Ph的太陽電池實現了80.55%的高填充因子和18.83%的高光電轉化效率。在解決了分子在較長時間成膜過程過度聚集的問題后，課題組以L8-Ph為受體，PM6為給體，非鹵溶劑鄰二甲苯為加工溶劑，制備了太陽電池器件，實現了18.40%的高光電轉化效率。這是目前常溫非鹵溶劑加工有機太陽電池的最高效率之一。
在小分子受體內側鏈末端引入苯環的策略，可有效抑制分子在非鹵溶劑中的過度聚集，提高分子有序性，進一步提升非鹵溶劑加工有機太陽電池的器件效率，在未來聚合物太陽電池大面積制備和商業化應用中展現出應用前景。
該成果由化學所和美國北卡羅來納州立大學合作完成。近日，相關研究成果發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。
論文鏈接
Y6-Ph和L8-Ph的化學結構以及具有不同內側鏈的小分子受體在較長時間成膜過程中的聚集行為示意圖
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