[背景介绍]
有机光伏电池(OPVs)是一种以有机半导体材料作为光活性层制备的光伏器件，在柔性可穿戴电子设备等领域应用潜力巨大。近年来，随着新材料设计、器件工程等方面的不断创新，OPVs的光伏性能发展迅猛。
然而，相比于传统的Si等光伏电池，尽管OPVs的内量子效率(IQE)已经不再逊色，但其填充因子（FF）和开路电压( V OC)仍远远落后。这归因于光伏电池中有序性低的有机半导体材料带来的低效载流子传输和高开路电压损耗。尽管增强有机半导体材料的有序聚集能提升载流子传输，但往往也伴随着非辐射能量损耗的增强。鉴于此，武汉理工大学王涛课题组李伟研究员等从非富勒烯受体的分子织构入手，通过压缩非富勒烯分子堆积实现了载流子传输和能量损失的同步改善。
图1. 分子织构优化实现光伏性能提升
[文章亮点]
武汉理工大学李伟等在本工作中设计合成了具有大孔隙的π-扩展非富勒烯受体B6Cl（图2）。将其引入到各类有机光伏体系中，系统的研究了非富勒烯分子织构与载流子传输和能量损失的变化。相关测试表明，微量B6Cl的引入使其兼容于多种聚合物:非富勒烯体系，且B6Cl存在可以压缩宿主受体分子排列，在缩短π-π堆积距离的同时提升烷基链排列的有序性，进而抑制了由侧链振动所导致的非辐射能量损失，这种分子堆积织构的转变最终实现了OPV中 J SC、FF和 V OC的同时提升，并在PM6:L8-BO和D18:L8-BO的体系中实现了单节OPV 19.8％和20.2％的光电转换效率，突破了20%光电转换效率里程碑。相关工作发表在 Journal of the American Chemical Society,上。
图2. NFA分子结构与微纳形貌
尽管难以在B6Cl及L8-BO纯受体膜中观察到晶格条纹，但将B6Cl引入至L8-BO中可在共混膜中观测到明显的晶格条纹，表明B6Cl可以显著促进宿主受体的结晶，提高分子堆积的有序度（图2）。
图3. 二维X射线衍射图像及分子压缩示意图
B6Cl的引入不仅可以显著缩短宿主受体π-π堆积的距离，而且在面内方向有效增强了烷基链的有序排列，使得宿主L8-BO分子织构被压缩，从而在提升载流子传输的同时抑制非辐射复合（图3）。
图4. 能量损失及光伏性能
如图4所示，非富勒烯分子织构的转变不仅使得光伏电池的载流子传输效率大幅提升（通过更紧密的π-π层叠），而且有效抑制了光伏电池工作过程中的非辐射复合（更有序的烷基链堆积），进而实现了光伏电池 J SC、FF和 V OC的同时提升。此外，该方法中B6Cl的微量引入使其兼容于多种聚合物:非富勒烯体系（图5），最终在D18:L8-BO体系中实现了目前单节有机太阳能电池中最高的PCE（20.2%）。
图5. 分子堆积压缩的普适性研究
[总结/展望]
综上所述，本工作将具有大孔隙的π-扩展非富勒系受体引入系列二元有机光伏电池中，实现了载流子传输和非辐射复合能量损失的同步优化。GIWAXS测试和分子动力学模拟表明， B6Cl中的大共轭骨架和较为疏松的分子堆积不仅能缩短非富勒烯的π-π层叠距离，实现高效的载流子传输，而且能促进烷基侧链有序排列，从而抑制由于强聚集引起的非辐射复合能量损失。该策略在诸多有机光伏体系中都得到了验证，并在D18:L8-BO:0.5wt％ B6Cl器件中实现了目前单节有机太阳能电池的最高PCE（20.2％）。本工作对有机太阳能电池进一步的形貌优化提供了指导方向，相关论文发表在期刊 J. Am. Chem. Soc上，武汉理工大学博士研究生孙元栋为文章第一作者，李伟研究员为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金的支持。
通讯作者信息：
李伟，武汉理工大学研究员。2019年获武汉理工大学材料学博士学位，2019-2021年在英国Swansea university从事博士后研究，2022年加入武汉理工大学，主要从事有机光电器件与物理方面的研究。现已在 Journal of the American Chemical Society, Joule, Energy & Environmental Science等高水平刊物上发表SCI论文80余篇，授权国家发明专利6项。
王涛课题组网站：
http://www.taowanggroup.com/
https://doi.org/10.1021/jacs.4c01503
来源：高分子科学前沿
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