近日，中國科學院國家納米科學中心納米系統(tǒng)與多級次制造重點實驗室研究員魏志祥、呂琨、博士鄧丹和西安交通大學教授馬偉等合作，設(shè)計并合成的可溶性有機小分子光伏材料，通過活性層形貌優(yōu)化，獲得了11.3%的光電轉(zhuǎn)換效率，這是目前文獻報道的可溶性有機小分子太陽能電池的最高效率，也是有機太陽能電池的最高效率之一。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Commun., 2016, 7, 13740）上。
有機太陽能電池因為其具有原材料來源豐富、成本低廉、質(zhì)量輕、可通過印刷制備為大面積柔性器件等優(yōu)點，成為具有重要應(yīng)用前景的太陽能利用方式，近年來引起廣泛關(guān)注。在活性層材料中，相比于聚合物材料，可溶性有機小分子具有純度高、明確的分子結(jié)構(gòu)和分子量等優(yōu)點。但是，目前基于有機小分子太陽能電池的效率依然需要進一步提升，尤其是性能更為穩(wěn)定的反向器件的最高能量轉(zhuǎn)換效率低于9%。
提高光電轉(zhuǎn)換效率的兩個主要途徑，一是通過分子設(shè)計調(diào)控能級結(jié)構(gòu)，二是通過改善器件活性層形貌從而降低電荷復合，減少能量損失。魏志祥課題組通過改變可溶性小分子的端基受體中氟原子的個數(shù)，實現(xiàn)了這兩個方面的協(xié)同優(yōu)化。氟化端基有利于降低材料的HOMO能級和光學帶隙；同時可以降低與富勒烯受體的相容性和材料的表面能。研究表明，氟化端基誘導了材料在水平方向上多級次相尺寸的分布，即同時存在相純度高且利于電荷傳輸?shù)拇蟪叽珙w粒（約100nm）以及增加給受體界面面積且利于電荷分離的小尺寸顆粒（約15nm）。這種多級次相尺寸的分布使電荷分離和傳輸更趨于平衡，減少了電荷的復合，從而減少能量損失。在垂直方向上，氟化端基提高了表面給體材料的富集程度，在正極表面形成了電子阻擋層，進一步減少了能量損失，從而實現(xiàn)了器件效率的提升?；诖?，該課題組提出了反向器件活性層的理想形貌模型，在水平上形成多尺度納米組裝結(jié)構(gòu)，在垂直方向上形成有利于電荷收集的垂直相分布。該工作深入闡述了高效光伏材料的分子設(shè)計、形貌調(diào)控和器件性能之間的內(nèi)在關(guān)系，對高效率有機光伏材料的設(shè)計具有重要借鑒意義。
該成果得到國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項、國家自然科學基金重點項目、中科院納米先導專項等項目的支持。
