葛子义、刘权等在揭示给体/受体界面性能对有机太阳能电池影响方面取得进展

zapian

近几年来，有机太阳能电池（OSCs）在活性层材料设计、器件加工优化、稳定性提高等方面取得了质的飞跃，特别是功率转换效率已达到19%以上，为未来商业化应用提供了切实保障。毫无疑问，Y系列非富勒烯受体的出现有效提高了OSCs的光伏性能。其中，端基卤化策略（一般指氟化和氯化），已被证实是调节受体光电性能简单有效的方法，但哪一种更好的争论一直存在。
　　近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所有机光电材料与器件团队在葛子义研究员和刘权研究员的共同带领下合成了两种具有不同缺电子端基的新型受体分子，C9N3-4F和C9N3-4Cl，并分别与高分子主链具有不同缺电子基团（DTBT和BDD）的两个给体（D18和PM6）混合制备二元器件。详细的理论计算和界面结构形貌表征表明，受体的不同端基与给体缺电子基团之间具有不同的堆叠距离和结合能，导致给体/受体分子间混溶性存在差异，对相分离形貌、电荷输运行为和OSCs器件性能有明显的影响。

图1 DFT-D3理论计算：结合能最低时DTBT/IC-2F、DTBT/IC-2Cl、BDD/IC-2F和BDD/IC-2Cl的最优分子构型

　　通过AFM、TEM和GIWAXS等形貌表征和激子电荷动力学研究表明，基于D18：C9N3-4F和PM6：C9N3-4Cl的共混膜具有精细的相分离形貌和优异的电荷传输性能，然而基于D18：C9N3-4Cl的共混膜中分子过度聚集且双分子复合严重，而基于PM6：C9N3-4F的共混膜中相分离尺寸过小，导致存在陷阱辅助分子复合。
　　在经过其他三对已报道的具有相同共轭中心骨架但端基不同的受体分子验证后（Y6和Y7、Y6-BO和Y7-BO、AsymSSe-2F和AsymSSe-2Cl），得到一个普适性结论，即基于D18与氟化端基受体和PM6与氯化端基受体的这两类光伏器件普遍具有优异效率、高填充因子和良好稳定性。最后，基于D18：C9N3-4F和PM6：C9N3-4Cl的二元器件效率分别达到18.53%和18.00%，而且在85℃下存储500 h后仍可保持其初始电池效率的90%。
　　本研究表明，简单评判受体分子氟化和氯化策略的优劣是不合理的，选择合适的给体材料和调节给体/受体界面结构可以更大限度地呈现一个新型设计受体分子的光电转换能力，有益于未来高性能且稳定的有机太阳能电池的分子设计和材料选择。
　　相关成果以“The Influence of Donor/Acceptor Interfaces on Organic Solar Cells Efficiency and Stability Revealed through Theoretical Calculations and Morphology Characterizations”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上（https://doi.org/10.1002/anie.202318360）。宁波材料所博士研究生石静玉为该论文第一作者，宁波材料所葛子义研究员和刘权研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家科学杰出青年学者基金（21925506）和国家自然科学基金资助项目（U21A20331、81903743）的支持。
       文章来源：宁波材料所
       葛子义，中科院宁波材料所研究员、博导。1999年本科毕业于兰州大学，2004年获中科院化学所博士学位。2005-2009年分别在日本东京工业大学、神奈川大学、澳大利亚新南维尔士大学从事有机光电研究。2009年初受聘于华东理工大学教授。2010年加入中科院宁波材料所，担任 “有机光电化学”学科带头人、有机光电材料与器件课题组组长。先后入选中科院青年拔尖科学家，浙江省杰青、浙江省“151人才”、“钱江人才”等。目前主要从事有机/钙钛矿太阳能电池、OLED和导电高分子功能材料研究。迄今在Nature Photonics、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等国际著名期刊上发表SCI论文100多篇，并被引用2000多次，撰写Springer等有机太阳电池专著章节3部。共申请国际国内专利29项。20多次受邀做著名学术会议邀请报告。目前担任《储能科学与技术》、International Journal of Modern Manufacturing Technology杂志编委、中国化工学会储能工程专业委员会委员、第一届国际有机光电材料与器件国际会议（ICOOE 2014）大会主席。2009年以来，主持包括国家重点研发计划、5项国家自然基金面上项目、中科院前沿重点项目、教育部霍英东青年教师基金在内的20多项国家级和省部级科研项目。担任国家科技奖，国家自然基金委、拔尖人才、教育部长江学者项目评审专家。