【儀表網 研發快訊】新結構分子的設計合成是推動有機電子學發展的驅動力。在有機太陽能電池中，共軛聚合物具有良好的成膜性，但具有合成不可控和批次差異性大等缺點，因而材料和器件重復性欠佳，是商業化進程中的瓶頸。共軛小分子結構明確，解決了合成可控性和批次差異性問題。然而，電荷輸運強烈依賴結晶性，最佳活性層形貌難以獲得，影響了器件性能和穩定性。
針對小分子和聚合物存在的優勢和不足，中國科學院國家納米科學中心研究員魏志祥和項目研究員鄧丹等，發展了介于小分子和聚合物的“N-π-N”型二聚體(即將高效率的小分子N型受體材料通過共軛基團連接起來)。該新型二聚體材料結合了小分子和聚合物各自的優勢，達到18.2%的器件性能，高于對應小分子(16.2%)和聚合物(15.8%)，并表現出更為優異的光、熱穩定性。
科研人員為進一步提升受體材料的非鹵溶劑加工性能和器件效率，以Y型受體為結構單元，設計合成了兼具高分子量與星形低偶極矩結構的巨型三聚受體材料(G-Trimer，圖1a)。該材料將聚集驅動力從傳統強偶極作用調整成高分子量間強相互作用，有效調控了受體分子在無鹵溶劑鄰二甲苯中的預聚集及成膜過程中的組裝行為(圖1b)，進而實現了非鹵溶劑的優異加工性能和器件效率的突破。該研究以傳統聚合物PM6為給體材料、新型G-Trimer為受體材料的正向小面積剛性器件在鄰二甲苯加工下獲得超過19%的能量轉化效率，在空氣中狹縫涂布法刮涂制備的1 cm2柔性大面積反向器件獲得14.25%的效率，且46.2 cm2柔性大面積模組的能量轉化效率可保持在13.25%，以上效率均為迄今為止報道的無鹵溶劑加工的最高值(圖1c)。此外，基于G-Trimer的反向器件表現出優異的熱穩定性，80℃持續加熱4500小時，可維持近90%的初始效率(圖1d)。大分子量受體G-Trimer的設計集成了非鹵溶劑易加工、高效率與高穩定性，為有機光伏領域發展提供了一類新型材料。
該研究以相應線型二聚體(G-Dimer)和聚合物(PSMA)作為對照，高分子量和星型對稱分子結構協同作用下的G-Trimer有以下優勢：在鄰二甲苯溶液中表現出溫度依賴的預聚集(TDA)特性，并影響PM6的預聚集(圖1b，圖2a、b)，前者促進了受體的有序聚集而后者利于PM6的有序堆積和纖維形貌的生成，降低了薄膜的能量無序度(圖2c)，利于電荷壽命的提高；在低電荷分離驅動力情況下，同時存在高效局域激子(EX)介導和離域激子(i-EX)介導共存的雙空穴轉移機制(圖2d)，促進了低驅動力下的電荷產生效率，提升了光子利用率；高玻璃化轉變溫度，器件表現出良好的熱穩定性。因此，G-Trimer的設計同時提高綠色溶劑的加工性能、有機太陽能器件的效率和穩定性，為商業化光伏受體材料的設計提供了重要的借鑒和指導。
相關研究成果發表在《焦耳》(Joule)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院戰略性先導專項的支持。
圖1. G-Trimer性質和性能。(a)分子結構；(b)在鄰二甲苯溶液中的變溫吸收光譜及其旋涂成膜的吸收光譜；(c)無鹵溶劑加工下器件面積及能量轉化效率總結圖；(d)器件熱穩定性。
圖2. (a)G-Trimer/PM6共混溶液的吸收光譜；(b)成膜過程PM6的吸收峰位置隨時間的變化；(c)共混膜的烏爾巴赫能；(d)共混膜空穴傳輸機制示意圖。
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