新液晶型小分子给体实现15。8效率单二元全小分子有机太阳能电

　　中科院重庆绿色智能技术研究院：新液晶型小分子给体实现15。8效率的单节二元全小分子有机太阳能电池
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　　第一作者：徐同乐，吕杰，杨可
　　单位：中国科学院重庆绿色智能技术研究院
　　本文通讯作者：陆仕荣
　　成果简介
　　体异质结有机太阳能电池（OSCs）具有成本低、重量轻、柔韧性强和高通量制造潜力等优势，在分布式光伏发电场景具有重要应用价值。光电转换效率（PCE）作为OSCs最重要的参数，主要由光活性材料结构设计和器件工程技术决定。与聚合物相比，受限于相对较低的填充因子（FF）和短路电流（JSC），全小分子太阳能电池的PCE相对落后，这主要受限于有源层的形貌控制。分子间相互作用在调节分子堆积和结晶度方面起着重要作用，进而影响混合膜的相分离形貌。液晶分子得益于其较大的分子间相互作用和自组装能力，有望形成高结晶度的晶畴和长程连续耦合的载流子传输路径，从而实现载流子的高效输运提取。本团队在前期向列型液晶小分子BTR、BTRCl取得成功的基础上，通过硒酚取代噻吩的方法，获得一例新型的扇形液晶小分子给体L2，可实现更大范围的分子组装，且结晶度更高，最终给出15。8的高效率，创造了单节双组分全小分子太阳能电池国际效率纪录，为进一步提高全小分子太阳能电池效率提供新的思路和策略。
　　图1。本文相应的光伏性能数据
　　近期，中国科学院重庆绿色智能技术研究院陆仕荣研究员团队，在能源类期刊EnergyEnvironmentalScience上发表了题为《15。8EfficiencyBinaryAllSmallMoleculeOrganicSolarCellsEnabledbyaSelenophenesubstitutedSematicLiquidCrystallineDonor》（DOI：10。1039D1EE01193F）的文章。文中设计并合成了两种新的液晶小分子供体，在苯并〔1，2b：4，5b〕二噻吩（BDT）中心单元上构建不同的取代基，包括具有噻吩基团的L1和具有硒吩基团的L2，用于研究硒酚取代对液晶给体的形态和光伏性能的影响。结果显示，硒化物供体L2具有更高的分子内相互作用并呈现出一种新的液晶相，实现了更有利的相分离、更好的光收集和更低的电荷复合。与窄带系受体Y6共混后，基于L2：Y6的器件实现了高达15。8的功率转换效率，甚至当活性层厚度增加到300nm时，基于硒化物的器件仍然可以输出14。3的高PCE，这是迄今为止在二元全小分子太阳能电池（ASMOSC）和厚膜ASMOSC中报道的最高值，有望应用于大规模生产的卷对卷印刷工艺。
　　基于硒吩材料的器件性能提升主要来自于短路电流JSC的提升（26。35mAcm2vs。25。28mAcm2），电池器件在550900nm范围内表现出了更高的量子效率，基于L2：Y6的器件的最大EQE为87。1，明显高于L1：Y6器件产生的85。7。此外，硒吩取代后，激子解离率（97。8）和电荷收集效率（83。5）均高噻吩材料的95。2和79。9。这些结果表明，硒吩取代不仅可以产生更好的光捕获，而且还能促进激子解离和电荷提取能力。
　　图2。载流子动力学数据
　　载流子动力学的数据进一步阐明了小分子给体L2优异的器件性能：较少的载流子复合和陷阱辅助SRH重组，较长的载流子寿命和较快的电荷提取能力，电子和空穴迁移率均高于L1的光伏器件。透射电镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）的表征结果显示，L2：Y6有较明显且均匀的相分离，可更加有效地实现电荷分离和传输。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）的表征结果也佐证了L2：Y6体系中具有较强的结晶性和较大的分子堆积。这些结果进一步表明，硒吩取代策略对调控分子堆积，改善相分离，抑制缺陷有极大的影响。
　　图3。基于L1：Y6和L2：Y6二元有机太阳能电池活性层薄膜形貌表征数据
　　图4。基于L1：Y6和L2：Y6二元有机太阳能电池的GIWAXS数据
　　同时，在偏光显微镜（POM）下可以清晰地观察到L1呈现出具有半月形纹理的向列相，而具有硒吩取代的L2呈现出具有扇形纹理的层状相。与具有高流动能力的向列液晶给体L1相比，扇形层状液晶给体L2具有更强的分子间作用，可以在更大范围内自组织为更有序的状态。因此，在L2：Y6共混膜中形成了具有合理域尺寸和密切晶体接触的棒状微晶形态。这种具有长程定向取向的有利形态可以有效保证长距离的电荷转移，从而实现薄膜厚度不敏感的出色器件性能。
　　图5。在偏光显微镜（POM）下L1和L2的液晶图像
　　作者简介
　　徐同乐：深圳大学博士后，2020年毕业于中国科学院重庆绿色智能技术研究院，获工学博士学位。主要研究方向为有机太阳能电池材料设计合成，以第一作者共同一作身份在EnergyEnvironmentalScience，AdvancedScience，和SustainableEnergyFule等期刊发表多篇论文。
　　吕杰：中国科学院重庆绿色智能技术研究院2019级博士生，2019年毕业于兰州交通大学获得理学硕士学位。博士期间荣获20192020年中国科学院大学三好学生荣誉称号，获得2020年度朱李月华优秀博士生奖学金，在2021年荣获中科院院长奖学金，主要研究方向为有机太阳能电池材料与器件，以第一作者共同一作身份在EnergyEnvironmentalScience，ACSApplied。MaterialsInterfaces，SolarRRL和JournalofMaterialsChemistryC等期刊发表多篇论文。
　　杨可：中国科学院重庆绿色智能技术研究院博士后特别研究助理；2020年毕业于重庆大学获得工学博士学位。主要研究方向为有机钙钛矿太阳能电池。以第一作者共同一作在ScienceAdvances，ACSApplied。MaterialsInterfaces，SolarRRL和JournalofEnergyChemistry等期刊发表多篇论文。
　　陆仕荣：中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员，国家海外高层次引进人才，享受国务院政府特殊津贴，重庆市杰出青年基金获得者，重庆市学术技术带头人，重庆市科技创新领军人才入选者；2012年于日本东北大学获得理学博士学位，先后在日本东北大学、美国加州大学洛杉矶分校和澳洲墨尔本大学从事博士后研究，主要研究领域为分布式太阳能高效转化及存储技术，先后以第一作者通讯作者在Joule，NatureCommunications，ScienceAdvances，EnergyEnvironmentalScience，Matter，JournaloftheAmericanChemicalSociety，AngewandteChemieInternationalEdition，AdvancedEnergyMaterials和AdvancedScience等期刊发表论文四十余篇。