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、BTR-Cl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Energy & Environmental Science上发表了题为《15.8% Efficiency Binary All-Small-Molecule Organic Solar Cells Enabled by a Selenophene substituted Sematic Liquid Crystalline Donor》(DOI: 10.1039/D1EE01193F)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[1,2-b:4,5-b']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 ~300 nm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(ASM-OSC) 和厚膜 ASM-OSC 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(26.35 mA cm-2 vs. 25.28 mA cm-2)，电池器件在 550-900 nm 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Energy & Environmental Science, Advanced Science, 和Sustainable Energy & Fule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2019-2020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Energy & Environmental Science, ACS Applied. Materials & Interfaces, Solar RRL和Journal of Materials Chemistry C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Science Advances, ACS Applied. Materials & Interfaces, Solar RRL和Journal of Energy Chemistry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, Nature Communications, Science Advances, Energy & Environmental Science, Matter, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials和Advanced Science等期刊发表论文四十余篇。