【儀表網 研發快訊】有機太陽能電池(OSCs)由于其輕、薄、柔等特性受到極大關注。為了最大化OSCs的能量轉換效率(PCEs)，需要構建具有合適相分離尺度的本體異質結活性層，以兼顧高效的CT態激子解離和純相中電荷傳輸。本體異質結成膜動力學本質上取決于給受體材料在溶劑揮發過程中結晶特性，并受到復雜的溶質-溶劑及相同/不同溶質組分間相互作用影響。基于器件工藝，通過熱退火、溶劑退火或者固/液體添加劑等方法可以在一定程度上調節結晶過程和活性層形貌。然而這些方法本質上屬于外部調控行為，容易受到多種復雜因素的干擾。因此，從分子設計的角度出發，開發新的方法來調控材料本征成膜動力學具有重要意義。
為了調控A-D-A型小分子受體的結晶和相容性，青島能源所包西昌研究員帶領的先進有機功能材料與器件研究組在之前的工作中，首次提出外圍功能化的分子策略，即通過在分子柔性側鏈遠端引入功能基團來調控分子外圍空間位阻，實現結晶性和共混性的平衡(Adv. Mater.,2019,31,1807832)。并且分子側鏈柔性鏈段的長度對遠端功能基團的空間構型及分子堆積產生顯著影響(The Innovation,2021,2,100090)。末端功能基團還可以作為遠端共軛“抓手”來螯合相鄰的同質或異質分子，實現對結晶動力學及納米互穿網絡的精細調控(Adv. Mater.,2023,35,2305652；Adv. Mater.,2023,35,2208986；Energy Environ. Sci.,2024,17,4216等)，這些前期研究提供了一種調節分子間相互作用的可行方法。在此基礎上，近期，研究組對Y系列受體材料的外端β-側鏈進行末端功能化，設計并合成了具有苯烷基側鏈的新型受體BTP-TC4Ph。研究發現，末端功能基團可以分子自組裝提供額外驅動力，從而提高分子有序性。并且，具有弱電負性的苯基作為外圍共軛基團還可以增強與給體分子的范德華作用，相對于無外圍功能化的受體分子BTP-TC6，側鏈末端苯基的引入將給受體共混體系的成膜速度提高了6倍，實現了更為均相的異質結結晶及理想的纖維狀相分離。因此，基于BTP-TC4Ph光伏器件的激子/電荷行為得到了顯著改善，能量轉化效率達到19.65%，為二元OSCs的最高性能之一。這些發現為合理控制異質結成膜動力學、進一步提高OSCs的光伏效率提供了指導意義。
該工作近期以“Heterojunction Interactions Modulated Film-Forming Kinetics for 19.65% Efficiency Binary Organic Solar Cells”為題發表在中國化學會旗艦期刊CCS Chemistry。論文第一作者為青島科技大學青年教師、課題組在職博士后王鵬超；通訊作者為包西昌研究員和李永海副研究員。該工作得到國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、山東省自然科學基金和山東能源研究院等項目支持。(文/圖 李永海、王鵬超)
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