近期，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士生張豹在國際頂級(jí)期刊《 Advanced Materials 》（IF: 27.4）上發(fā)表題目為“Manipulating Alkyl Inner Side Chain of Acceptor for Efficient As-Cast Organic Solar Cells”的研究論文。北京理工大學(xué)為第一通訊單位，安橋石特別研究員、王金亮教授、王珊珊老師和山東大學(xué)尹航教授為共同通訊作者。

圖1. (a) A1-A5的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(b) D18和A1-A5的歸一化薄膜吸收光譜。(c) A1-A5在室溫下在氯仿中的溶解度。(d) D18和A1-A5的能級(jí)。(e) A1-A5純薄膜在IP和OOP方向上的線切割輪廓。(f) D18和受體的分子間作用力。(g) D18與不同分子之間的堆積模型。

溶液處理有機(jī)太陽能電池（OSCs）是一種有潛力的綠色光電轉(zhuǎn)化技術(shù)，其在光伏建筑一體化，柔性可穿戴設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。器件效率、穩(wěn)定性和成本是有機(jī)光伏商業(yè)應(yīng)用的三個(gè)最關(guān)鍵的因素，而在成本方面的研究相對(duì)落后于前兩者。從材料角度來看，簡化分子結(jié)構(gòu)，合成步驟與提純過程是降低器件成本的有效策略。在器件制備方面，鑄態(tài)OSCs即活性層不進(jìn)行任何工藝優(yōu)化，其無疑是降低成本最有效的方案。然而，從分子設(shè)計(jì)的角度構(gòu)筑高效率鑄態(tài)器件還鮮有報(bào)道。在這項(xiàng)工作中，該團(tuán)隊(duì)通過逐個(gè)增加吡咯單元上亞甲基碳的個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)和合成了五個(gè)A-DAD-A型小分子（A1-A5）受體材料，以此為基礎(chǔ)研究具有不同鏈長度的小分子受體與鑄態(tài)器件之間的構(gòu)效關(guān)系。

圖2 A1-3的原位紫外-可見吸收光譜、一維吸收光譜曲線和最大吸收峰位隨時(shí)間變化曲線

隨著烷基鏈的延長，薄膜的吸收光譜從A1到A5逐漸發(fā)生藍(lán)移，同時(shí)最低未占據(jù)分子軌道（LUMO能級(jí)）也略微上移。隨著LUMO能級(jí)的略微上移，有利于實(shí)現(xiàn)器件的短路電流密度和開路電壓之間的平衡。此外，較長的烷基鏈還能提高受體和給體之間的相容性。通過原位紫外-可見吸收光譜（圖2）結(jié)果分析表明，良好的相容性將會(huì)延長分子自組裝時(shí)間，并有助于給體相的優(yōu)先形成，進(jìn)而受體沉淀在由給體形成的框架中。相應(yīng)的成膜過程有助于形成具有合適纖維結(jié)構(gòu)、分子堆疊和垂直相分離的薄膜形貌，從而提高填充因子。因此，基于D18:A3的鑄態(tài)器件實(shí)現(xiàn)了18.29%的最高效率。在該工作中，該團(tuán)隊(duì)從分子設(shè)計(jì)角度，提出了一種構(gòu)筑高效率鑄態(tài)器件的有效策略，并明晰了材料結(jié)構(gòu)-成膜過程-器件性能之間的關(guān)系，有助于推動(dòng)有機(jī)光伏領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金，北京市自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助及北京理工大學(xué)分析測試中心的支持。

文章來源：北京理工大學(xué)