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  與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相比，有機(jī)太陽能電池具有成本低、能量回收期短、原材料豐富、重量輕、便攜、柔性和透明等突出優(yōu)點(diǎn)，有潛力開拓太陽能電池新的應(yīng)用領(lǐng)域，近些年來倍受科研界和工業(yè)界關(guān)注。在有機(jī)太陽能電池的發(fā)展歷程中，基于有機(jī)電子給體/受體共生的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)一直引領(lǐng)領(lǐng)域前沿。體異質(zhì)結(jié)吸光活性層的納米尺度形貌與激子擴(kuò)散與解離、載流子電荷傳輸和電荷收集等物理過程密切相關(guān)，是影響有機(jī)太陽能電池器件效率的重要因素。因此，調(diào)控活性層形貌與設(shè)計(jì)合成高效的有機(jī)光電材料占有同等重要的地位。

  在基于目前報(bào)道的高效率明星聚合物給體/非富勒烯受體體異質(zhì)太陽能電池結(jié)體系（PM6：Y6）的研究中，博士后研究員嚴(yán)岑琪博士發(fā)現(xiàn)，通過添加少量向列型液晶小分子給體材料BTR，可以進(jìn)一步優(yōu)化活性層的納米尺度形貌，成功構(gòu)筑了基于PM6：BTR：Y6 的三元有機(jī)太陽能電池。PM6和 BTR具有相同的苯并噻二分結(jié)構(gòu)單元，能保證材料的相容性,契合于其前期在多元聚合物給體/富勒烯受體電池的指導(dǎo)性研究（Nature Photonics 2015, 9, 190-198）。并且，液晶小分子BTR具有長程有序的排列和強(qiáng)結(jié)晶性，具有改善活性層結(jié)晶的潛力。實(shí)驗(yàn)表明,通過添加5% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的BTR，就足以顯著改善活性層的結(jié)晶性。與絕大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道不同，微量的BTR分子在其中起到了形核劑的作用，在明顯提高結(jié)晶性的同時(shí)，給受體相分離尺度反而稍有減小。因此，引入BTR第三組分得以延長載流子壽命，縮短光電流衰減時(shí)間，促進(jìn)激子解離，電荷傳輸和收集，最終將光電能量轉(zhuǎn)換效率由15.7% 提高至16.6%。結(jié)果表明，液晶小分子給體材料和聚合物給體材料的協(xié)同作用能夠精細(xì)調(diào)節(jié)活性層形貌并改善器件性能，為活性層的形貌優(yōu)化提供了新思路。工作近期發(fā)表于Advanced Science（AS）期刊 (“Synergy of Liquid-Crystalline Small-Molecule and Polymeric Donors Delivers Uncommon Morphology Evolution and 16.6% Efficiency Organic Photovoltaics” Adv. Sci. 2020, 2000149 DOI：10.1002/advs.202000149）。

圖1. a）PM6，BTR和Y6的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。b) 能級(jí)分布圖。c) 有機(jī)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)。

圖2 a）PM6，BTR和Y6材料的吸收譜圖。二元及最優(yōu)三元器件的b）電流密度-電壓（J–V）曲線, c) 外量子效率（EQE）曲線, d) 光電流密度- 有效電壓（J_ph-V_eff）曲線, e) 瞬態(tài)光電壓曲線, f）瞬態(tài)光電流曲線。

圖3. a）純膜和共混膜的二維GIXD譜圖。b）純膜的一維line-cut圖。c）共混膜的一維line-cut圖。

  與聚合物給體/小分子受體體系相比，基于全小分子體系的活性層形貌更難調(diào)控。全小分子有機(jī)太陽能電池器件的制備加工過程中往往需要使用熱退火、溶劑退火和溶劑添加劑，以調(diào)控溶劑蒸發(fā)的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，調(diào)節(jié)活性層形貌，從而實(shí)現(xiàn)高的器件效率。然而，基于全小分子給體/受體體系活性層形貌對(duì)上述器件較為敏感，上述加工工藝往往會(huì)嚴(yán)重影響器件形貌。因此，精細(xì)調(diào)節(jié)全小分子體系的活性層形貌有待進(jìn)一步的研究。李剛教授與中科院重慶綠色智能技術(shù)研究所陸仕榮教授合作，提出了精細(xì)調(diào)控溶液濃度策略來進(jìn)一步優(yōu)化高效率富勒烯體系“BTR：PCBM”和 非富勒烯體系“BTR-Cl：Y6”全小分子體系的活性層形貌。研究發(fā)現(xiàn)微調(diào)溶液濃度能夠提升活性層吸光系數(shù)，精細(xì)調(diào)控活性層結(jié)晶性與相分離尺度,減少載流子復(fù)合，改善電荷傳輸與收集,從而將BTR-Cl：Y6非富勒烯體系的器件效率由12.9%提升至14.7%，將BTR：PCBM富勒烯體系的厚膜器件效率由9.2%提升至10.2%。本工作近期發(fā)表于Advanced Energy Materials （AEM）期刊(“Delicate Morphology Control Triggers 14.7% Efficiency All‐Small‐Molecule Organic Solar Cells”, Adv. Energy Mater. 2020,2001076 DOI: 10.1002/aenm.202001076)。

圖4. a）近五年全小分子有機(jī)太陽能電池的器件效率總結(jié)。以不同濃度溶液制備的全小分子有機(jī)太陽能電池的b）J–V曲線，c）EQE譜圖d）J_ph-V_eff曲線。

  三元有機(jī)太陽能電池AS文章的第一作者為香港理工大學(xué)電子及資訊工程學(xué)系博士后研究員嚴(yán)岑琪博士，通訊作者為李剛教授，上海交通大學(xué)劉峰教授與香港科技大學(xué)劉燾博士。

  全小分子有機(jī)太陽能電池AEM文章第一作者是香港理工大學(xué)與中科院重慶綠色智能技術(shù)研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士生唐驊。通訊作者為李剛教授，嚴(yán)岑琪博士，與中科院重慶綠色智能技術(shù)研究所陸仕榮教授。

  李剛教授現(xiàn)為香港理工大學(xué)鐘士元爵士可再生能源教授，英國皇家化學(xué)會(huì)（RSC）Fellow， 國際光學(xué)工程學(xué)會(huì)（SPIE） Fellow.其研究組致力于有機(jī)太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池及其他光電子器件的研究。李剛教授發(fā)表了140余篇論文(含Nature 子刊及Science十余篇)，Google學(xué)術(shù)引用近6萬次，單篇最高引用6千余次，17篇論文超過1千次引用。李剛教授自2014年起成為 湯森路透-科維睿安 全球高被引科學(xué)家（Highly Cited Researchers – Materials Science, Physics, Chemistry）。歡迎有志于相關(guān)研究的優(yōu)秀學(xué)生報(bào)考香港理工大學(xué)博士研究生。

  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1002/advs.202000149

  https://doi.org/10.1002/aenm.202001076