由于有機(jī)半導(dǎo)體的以及器件制備工藝的發(fā)展，有機(jī)太陽(yáng)能電池取得了巨大的進(jìn)步。但由小分子給體與小分子受體構(gòu)成的全小分子有機(jī)太陽(yáng)能電池（SM-OSCs）效率遠(yuǎn)低于由聚合物給體，小分子受體構(gòu)成的聚合物太陽(yáng)能電池(PSCs)效率。PSCs由于聚合物供體具有長(zhǎng)的分子骨架和強(qiáng)大的分子間作用力，規(guī)整的聚合物膜本身可以為PSCs形成合適的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)。因此，當(dāng)與小分子受體共混時(shí)，PSCs很容易滿(mǎn)足合適的相分離，因此，大多數(shù)未經(jīng)任何后處理的PSCs都能提供相當(dāng)有效的光伏性能。然而，對(duì)于SM-OSCs，由于小分子給體和小分子受體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)相似，很難實(shí)現(xiàn)合適的相分離。因此，盡管SM-OSCs的薄膜具有很高的電荷遷移率，但其Jsc和FF始終相對(duì)較低。為了提高SM-OSCs的光伏性能，對(duì)給-受體混合活性層的納米形貌進(jìn)行精細(xì)調(diào)整是非常重要的。常見(jiàn)的活性層形貌調(diào)控的方式有：物理方法有如溶劑添加劑，溶劑蒸汽退火，熱退火；化學(xué)上有對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)修飾，如側(cè)鏈工程，氟原子取代，異構(gòu)化等，均可有效調(diào)節(jié)分子的聚集和堆積形態(tài)，從而影響體相異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池（BHJ）的形貌和光伏性能。
中科院化學(xué)所/蘇州大學(xué)李永舫院士、孟磊研究員、聯(lián)合浙江大學(xué)朱海明教授等人基于噻吩共軛側(cè)鏈上不同的取代基出發(fā)，合成了兩種小分子給體材料，包括帶有烷硫基的SM1-S和帶有氟烷基取代基的SM1-F，以及以前報(bào)道的帶烷基取代基的給體分子SM1，研究了不同共軛側(cè)鏈對(duì)給體分子聚集和光物理、光電特性的影響。結(jié)果表明，以Y6為受體、120℃熱退火10分鐘的SM1-F基SM-OSCs的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)最高為14.07%，是目前報(bào)道的SM-OSCs的最好值之一。此外，這些結(jié)果還表明，小分子的不同側(cè)鏈對(duì)其結(jié)晶特性和聚集特性有明顯的影響，熱退火處理能有效地微調(diào)相分離，形成合適的給受體互穿網(wǎng)絡(luò)，這有利于激子的離解和電荷的輸運(yùn)，從而產(chǎn)生高效的光伏性能。文章以題為《通過(guò)給體側(cè)鏈工程，熱退火工藝制備高性能的全小分子有機(jī)太陽(yáng)能電池》發(fā)表在國(guó)際材料頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》上，通訊作者為中科院化學(xué)所李永舫院士、孟磊研究員。
[圖文解析]
研究人員在噻吩共軛的側(cè)鏈上具有不同的取代基，包括帶有烷硫基的SM1-S和帶有氟和烷基取代基的SM1-F，以及先前報(bào)道的帶有烷基取代基的供體分子SM1，用于研究不同的共軛側(cè)鏈對(duì)分子聚集以及供體分子的光物理和光伏性質(zhì)的影響。圖1為材料分子結(jié)構(gòu)、制備器件的結(jié)構(gòu)、新合成材料的光學(xué)屬性以及能級(jí)示意圖。
如圖2所示，熱退火處理后的器件性能明顯提升，SM1-F基器件的最佳PCE值高達(dá)14.07%，Voc值高達(dá)0.866V，Jsc值為23.25mA?cm-2，F(xiàn)F值為0.699，而且SM1-F基混合膜器件在膜厚250 nm還具有11.9%的效率,說(shuō)明大面積制備SM-OSCs的潛力，歸因于SM1-F:Y6混合活性層的較高空穴遷移率和平衡空穴和電子遷移率,弱的雙分子復(fù)合。
所圖3-4所示，熱退火處理后，Y6膜的分布沒(méi)有明顯變化，但聚集性略有增強(qiáng)，而小分子給體膜的聚集性明顯增強(qiáng)。與SM1和SM1-S純膜相比，熱退火處理的SM1-F膜具有更強(qiáng)的聚集性和更致密的聚集性，這也說(shuō)明小分子供體的不同共軛側(cè)鏈對(duì)小分子供體的聚集有著深刻的影響。
如圖5所示，熱退火處理能有效地促進(jìn)所有小分子共混物的相分離。結(jié)合圖3說(shuō)明側(cè)鏈工程和熱退火處理可以有效地調(diào)節(jié)分子的聚集和相分離。
如圖6所示，使用瞬態(tài)吸收進(jìn)一步研究SM1-F:Y6共混膜的空穴傳輸動(dòng)力學(xué)，說(shuō)明在熱退火處理后隨著形態(tài)的改善和激子擴(kuò)散距離的延長(zhǎng)，混合膜的空穴遷移率增加到兩倍以上，這與在SM-OSC中顯著增強(qiáng)Jsc和PCE保持一致。
【結(jié)論】
研究者合成了一系列在噻吩共軛側(cè)鏈上具有不同取代基的寬禁帶小分子給體。所有以Y6為受體的SM-OSCs均表現(xiàn)出較好的光伏性能。其中，基于SM1-F的SM-OSCs具有14.07%的最高PCE，是迄今為止報(bào)道的SM-OSCs的最佳效率之一，其較好的FF為0.699，較高的Voc為0.866 V。此外，基于SM1-F的器件還具有良好的厚度不敏感特性，顯示了大面積制造SM-OSCs的巨大潛力。形態(tài)分析結(jié)果表明，不同側(cè)鏈的小分子給體對(duì)其結(jié)晶特性和聚集特性有明顯的影響。此外，熱退火處理能有效地微調(diào)相分離，形成合適的給受體互穿網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致了激子的有效解離和電荷輸運(yùn)，從而產(chǎn)生了高效的SM-OSCs。這項(xiàng)工作不僅實(shí)現(xiàn)了高效的SM-OSCs，而且清楚地了解了側(cè)鏈工程和熱退火處理對(duì)納米形貌、光物理性質(zhì)以及光伏性能的影響，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)光伏材料和優(yōu)化SM-OSCs器件提供了指導(dǎo)作用。
參考文獻(xiàn)
Beibei?Qiu et al. Highly?Efficient All‐Small‐Molecule?OrganicSolar Cells with Appropriate Active Layer Morphology by Side Chain?Engineering?of Donor Molecules and Thermal Annealing，AM,2020.? DOI:10.1002/adma.201908373.
