北理工團隊在高效穩(wěn)定的全小分子有機太陽能電池材料與器件構(gòu)筑方面取得重要進展
發(fā)布日期：2023-06-15 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近期,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授團隊在異構(gòu)化小分子給體材料合成及其在高效率兼具穩(wěn)定性好的全小分子有機太陽能電池的應(yīng)用研究方面取得重要進展,，相關(guān)研究成果發(fā)表在材料類國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202300878）上，題為“Isomeric Small Molecule Donor with Terminal Branching Position Directly Attached to the Backbone Enables Efficient All-Small-Molecule Organic Solar Cells with Excellent Stability”,。北京理工大學(xué)為唯一通訊單位,，化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授、安橋石特別研究員,、黃學(xué)斌副教授為共同通訊作者,，碩士研究生支鴻富為第一作者。
如何開發(fā)可高效利用清潔能源的技術(shù)是國家能源戰(zhàn)略布局面臨的重大科學(xué)問題,。有機太陽能電池（OSCs）作為一種高效利用太陽能的技術(shù),，由于具有輕、薄,、柔和易加工等諸多優(yōu)點受到了廣泛關(guān)注,。由于小分子材料具有明確的分子結(jié)構(gòu)、批次穩(wěn)定性好,、易制備和純化等優(yōu)勢,，基于小分子給受體材料的全小分子有機太陽能電池（ASM-OSCs）展現(xiàn)出巨大商業(yè)化潛力。然而由于小分子有源層形貌敏感且難以調(diào)控,，其整體效率和器件穩(wěn)定性落后于其它類型材料構(gòu)筑的有機太陽能電池,。因此如何發(fā)展新的小分子給受體材料和制備出高效率兼具穩(wěn)定性好的全小分子有機太陽能電池，是目前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一,。
針對上述的關(guān)鍵科學(xué)問題,，王金亮教授團隊基于前期在IDT核心的多氟代寬帶隙單分散共軛大分子給體材料創(chuàng)制方面 ( J. Am. Chem. Soc. 2016 , 138, 7687，被引用195次; Adv. Funct. Mater. 2015, 25 , 3514,； Adv. Funct. Mater. 2016, 26 , 1803)和高效全小分子有機太陽能電池器件制備方面( Energy Environ. Sci. 2021, 14 , 3945; ACS Energy Lett. 2021, 6 , 2898， ACS Energy Lett. , 2023, 8 , 1058等)的研究工作基礎(chǔ),，采用小分子給體端基異構(gòu)化調(diào)控策略,，在不改變末端烷基鏈總長度的情況下，設(shè)計合成了一組基于線性,、分叉點在第1和2個碳原子位置的烷基化羅丹寧端基的苯并二噻吩-三噻吩類的小分子給體材料(SM- n -Bu,，SM- s -Bu和SM- i -Bu，圖1),。系統(tǒng)地探討了端基烷基鏈異構(gòu)化策略對小分子給體的光電行為,、模型化合物單晶結(jié)構(gòu)、與非富勒烯受體BO-4Cl的共混形態(tài)以及相應(yīng)OSCs的效率和穩(wěn)定性的影響和相應(yīng)的構(gòu)效關(guān)系,。
圖1：端基烷基鏈異構(gòu)化小分子給體分子結(jié)構(gòu)以及模型化合物的晶體堆積圖對比
相應(yīng)的模型化合物的單晶結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出明顯的差異性,。與另外兩個晶體的層狀滑移堆積模式相比，末端烷基異構(gòu)分叉點最臨近羅丹寧骨架的晶體結(jié)構(gòu)（T- s -Bu）具有更緊密的魚骨狀堆積模式,，表明末端烷基鏈異構(gòu)化調(diào)控可以精細(xì)調(diào)控分子間晶體堆積模式,。盡管這些小分子異構(gòu)化給體材料具有相似的吸收和HOMO/LUMO能級,， SM-s-Bu:BO-4Cl共混膜具有更合適的相分離尺寸以及更明顯的微晶共存特征（圖2），進而促進了更加高且平衡的電子-空穴遷移率以及更弱的電荷復(fù)合,。因此,，基于SM- s -Bu:BO-4Cl的二元全小分子電池獲得16.1%的最優(yōu)光電轉(zhuǎn)換效率，明顯高于基于SM- n -Bu:BO-4Cl和SM- i -Bu:BO-4Cl的器件結(jié)果,，是基于苯并二噻吩-三噻吩類小分子給體材料的全小分子有機太陽能電池的高光電轉(zhuǎn)換效率之一,。更重要的是，SM-s-Bu:BO-4Cl電池同時實現(xiàn)了存儲 T 80壽命超過1700 h,，表明其在獲得高效率的同時兼具有出色的存儲穩(wěn)定性,。綜上，這項工作突破了給體末端基調(diào)控的傳統(tǒng)思路,，強調(diào)了末端烷基異構(gòu)分叉點最臨近羅丹寧骨架的策略有助改善晶體填充和調(diào)控共混薄膜形態(tài),，為實現(xiàn)高效率和穩(wěn)定性好的全小分子太陽能電池提供了簡便可行的新策略。
圖2：基于三個異構(gòu)化小分子給體的共混膜形貌(a-i)以及器件效率(j)以及穩(wěn)定性(k)對比
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目,、國家海外高層次青年人才項目,、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計劃等項目以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點實驗室和北京理工大學(xué)分析測試中心的支持。韓國高麗大學(xué)的Han Young Woo教授,、北京工商大學(xué)李熊教授,、中國人民大學(xué)王亞培教授等給予了部分測試支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300878
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