有機光伏材料設計與形貌調控對聚集特性的影響

發布時間：2019-12-13 16:12 原文鏈接：有機光伏材料設計與形貌調控對聚集特性的影響

　　有機光伏電池由于具有柔性、質輕、可潛在大規模印刷制備等諸多優點而受到廣泛關注。該類器件的吸光層的形貌對器件的光電轉換性能和器件工藝難易度有重要影響。從分子設計角度，發展新型高效材料和加深對材料聚集特性的認知，提升器件光電轉換性能的同時發展易形貌調控的器件工藝，對發展大規模印刷工藝以及快速推動有機光伏的應用具有重要的意義。

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所先進有機功能材料與器件研究組近年來致力于發展高效易加工材料體系，深入研究分子設計策略對聚集特性的影響機制，并于近期取得了系列階段性成果。一方面創新性地發展了新型分子側鏈位阻策略，通過合理的位阻篩選，不僅在給體材料中得到了良好應用（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 10505），而且還可通過分子側鏈末端芳香基團的擾動，有效平衡了受體材料的結晶性和自聚性，實現了吸光層中材料結晶性和共混性的和諧統一，更容易獲得理想的納米尺度相分離形貌（圖1），基于受體（IDIC-C4Ph）的結果表現出比傳統受體更高的光電轉換效率及填充因子，相關成果發表在Adv. Mater. 2019, 31, 1807832。該體系還可優化三元體系的分子堆積，進一步提升了器件的性能（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1903596）。另一方面系統研究了主骨架不對稱和無規共聚策略，開創性地通過“一鍋法”合成了主骨架不對稱結構噻吩并苯并二噻吩（TBD），該主骨架具有優異的電荷傳輸能力和良好的分子平面性，有效改善了吸光層形貌，在多種材料體系中均展現出優異的光電性能（Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1802530）。以此開發了多種不對稱主骨架和三元無規共聚策略，有效調控了聚合物的結晶性與分子堆積，光伏器件的填充因子可高達77%，同時該策略顯著提高了無規共聚物的可重復性（Chem. Mater., 2019, 31, 6163），1平方厘米的電池器件性能超過10%。與此同時，研究組還將TBD結構應用于受體小分子，亦可有效調控吸光層的共混性（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 44501）。

　　上述工作的開展加深了對吸光層形貌調控的認知，為發展大面積器件印刷制備提供了有益的指導。該研究得到國家自然科學基金、兩所融合基金、中科院青促會等的大力支持。