新進展！非鹵溶劑加工有機太陽電池的器件效率進一步提升
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷崛起，越來越多的清潔能源技術(shù)開始被關(guān)注，其中頗具代表性的便是太陽能。作為人類現(xiàn)階段變可以有效利用的清潔能源之一，太陽能具有能量大、半永久、清潔、廣泛等優(yōu)點，并且從技術(shù)側(cè)面來說，太陽能的使用門檻相對較低，具體到產(chǎn)業(yè)上就是相對規(guī)模下的裝機成本低、運維成本低。
有機太陽電池具有低成本以及可大面積印刷加工的優(yōu)勢，在未來商業(yè)化應(yīng)用頗有潛力。目前，高性能有機太陽電池通常采用低沸點鹵代試劑(如氯仿)來制備。這是由于此類光伏材料可在氯仿溶劑成膜過程中形成合適的相分離，同時，制備的光伏器件可以實現(xiàn)電荷的高效分離與傳輸。
氯仿等鹵代溶劑毒性強，有機太陽電池的大面積工業(yè)化生產(chǎn)中需要使用高沸點綠色溶劑加工來避免鹵代溶劑的環(huán)境污染問題。高效有機光伏材料在非鹵溶劑中溶解度較差，同時，非鹵溶劑較長的成膜時間會導(dǎo)致光伏材料尤其是小分子受體過度聚集而形成大尺度相分離，從而影響電荷的有效分離與傳輸。
因此，進一步修飾小分子受體的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)其在非鹵溶劑中的溶解及聚集特性，從而改善電荷分離與傳輸，是提升非鹵溶劑加工有機太陽電池器件效率的重要途徑。
中國科學(xué)院化學(xué)研究所有機固體重點實驗室李永舫課題組在小分子受體內(nèi)側(cè)鏈末端引入苯環(huán)的策略，可有效抑制分子在非鹵溶劑中的過度聚集，提高分子有序性，進一步提升非鹵溶劑加工有機太陽電池的器件效率，在未來聚合物太陽電池大面積制備和商業(yè)化應(yīng)用中展現(xiàn)出應(yīng)用前景。
課題組在典型A-DA’D-A類小分子受體Y6和L8-BO的基礎(chǔ)上，通過在內(nèi)側(cè)鏈末端引入苯環(huán)，開發(fā)了新的受體Y6-Ph和L8-Ph。這一分子修飾策略可提升分子在非鹵溶劑中的器件性能。并且從分子設(shè)計角度，苯環(huán)具有一定的位阻效應(yīng)，位阻基團的引入增加分子在非鹵溶劑中溶解性的同時降低了分子結(jié)晶性。
這些特性使Y6-Ph和L8-Ph在非鹵溶劑中可以更好地分散，并減緩了分子在成膜過程中的快速聚集。該現(xiàn)象通過薄膜AFM和TEM測試得到了證實。此外，苯環(huán)的引入為分子提供了更豐富的π-π相互作用位點，使分子在相對緩慢的成膜過程中自組裝形成更有序的分子堆積，促進其電荷傳輸性能進一步提升。
研究團隊為了驗證Y6-Ph和L8-Ph在較長時間成膜過程中分子的聚集特性，在高沸點氯苯溶劑中進行了器件制備。他們以PM6為給體，Y6-Ph或L8-Ph為受體的器件，表現(xiàn)出比以Y6和L8-BO為受體時更合適的給-受體相分離，從而獲得了更有效的電荷分離與傳輸、更少的載流子復(fù)合。而基于PM6:L8-Ph的太陽電池實現(xiàn)了80.55%的高填充因子和18.83%的高光電轉(zhuǎn)化效率。
近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。
(資料來源：化學(xué)研究所)
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