【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，武漢大學(xué)高等研究院教授閔杰課題組在高效率且可溶液加工的全小分子太陽能電池研究中取得重要進(jìn)展。該工作通過模塊化設(shè)計合成了具有不對稱側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的小分子給體材料，系統(tǒng)調(diào)控了分子間相互作用、結(jié)晶行為與活性層形貌，實(shí)現(xiàn)了18.12%的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)，創(chuàng)下了全小分子活性層體系的紀(jì)錄效率，且其展現(xiàn)出優(yōu)異的加工適用性與規(guī)模化制備潛力。
相關(guān)成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie International Edition(《德國應(yīng)用化學(xué)》)，論文題為“Controlled-Disorder Asymmetrical Donors Enable Efficient All-Small-Molecule Solar Cells with Excellent Solution-Processability”(《非對稱小分子給體無序控制實(shí)現(xiàn)高效率且可溶液加工的全小分子太陽能電池》)。高等研究院博士研究生徐林勇和高遠(yuǎn)為共同第一作者，閔杰和副研究員孫瑞為共同通訊作者，高等研究院為唯一通訊單位。
研究概述
全小分子太陽能電池因其明確的分子結(jié)構(gòu)與良好的批次重復(fù)性而受到廣泛關(guān)注，但其在形貌控制與工藝適應(yīng)性方面存在挑戰(zhàn)，使得能量轉(zhuǎn)換效率與加工性能仍落后于基于聚合物材料的活性層體系。針對該問題，閔杰課題組設(shè)計合成了三種具有不同側(cè)鏈功能基團(tuán)的不對稱小分子給體材料MPhS-HF、MPhS-OP和MPhS-PF。通過系統(tǒng)研究其光電特性、溶液行為、結(jié)晶動力學(xué)與器件性能，課題組發(fā)現(xiàn)含有烷氧苯基側(cè)鏈的MPhS-OP在與非富勒烯受體L8-BO共混時，表現(xiàn)出良好的相容性與延遲結(jié)晶行為，有助于形成納米互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相形貌，從而促進(jìn)激子高效解離、平衡電荷傳輸并抑制復(fù)合損失。相比之下，MPhS-HF和MPhS-PF體系因?yàn)榻o體過早地相析出形成島嶼狀形貌，相疇尺寸較大，導(dǎo)致激子解離效率下降與電荷復(fù)合加劇，使其光伏參數(shù)JSC、FF和PCE均明顯低于MPhS-OP體系。
多種加工工藝條件下的三種活性層體系器件性能對比
在最優(yōu)器件制備條件下，MPhS-OP:L8-BO活性層體系在厚膜(300 nm)、高速刮涂(29 m/min)、綠色溶劑(THF)處理及大面積器件(1 cm²)等多種實(shí)際加工條件下，仍能保持16.4%以上的效率，展現(xiàn)出優(yōu)異的工藝耐受性與可擴(kuò)展性，遠(yuǎn)優(yōu)于MPhS-HF和MPhS-PF體系。
(a)共混溶液體系在不同溶劑體積比下的混合吉布斯自由能曲線特征點(diǎn)；(b) MPhS-HF:L8-BO與MPhS-OP:L8-BO體系成膜機(jī)制示意圖；(c)基于給體與L8-BO特征吸收峰解析的成膜動力學(xué)過程，涵蓋氯仿溶液低速刮涂、厚膜制備與高速刮涂，以及四氫呋喃溶液低速與高速刮涂條件
課題組進(jìn)一步通過熱力學(xué)模擬與原位光譜分析，揭示了MPhS-OP在成膜過程中延遲析出的動力學(xué)機(jī)制，有效抑制了過早相分離，從而在不同加工條件下實(shí)現(xiàn)了微觀形貌的良好重現(xiàn)性。該研究不僅為高效全小分子太陽能電池的材料設(shè)計提供了新思路，也為其從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化提供了關(guān)鍵方案。
該研究得到國家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的支持。武漢大學(xué)科研公共服務(wù)共享平臺為該工作的開展提供了有力支撐。
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