引言

有机太阳能电池（OSCs）由于具有轻量化、柔性、可溶液法大面积制备等优点，成为光伏领域的重要研究方向之一，特别是2015年以来新型小分子非富勒烯受体的出现极大地推动了OSCs的发展。然而目前报道的绝大多数的高性能电池均是基于~100 nm厚的活性层，对于面向应用的高性能厚膜器件报道较少。决定OSCs光伏效率的核心组件是电子给受体材料共混而成的本体异质结（BHJ）活性层，电池内部的光生激子生成与迁移、激子解离、电荷传输与复合等关键物理过程均依托于BHJ进行。在~100 nm厚的活性层中，光子激子解离后可以高效地传输到给受体界面并被收集，而在厚膜器件中，电荷传输过程中会发生严重的复合损失，从而严重降低OSCs的填充因子FF和最终效率。因此，如何改善厚膜BHJ中电荷传输是一个亟待解决的科学问题。

成果介绍

最近，课题组基于其前期开发的柔性侧链-位阻末端基础上，进一步对柔性烷基碳数进行微调控，以优化分子堆积和本体异质结形貌（图1）。研究发现，x=5和x=6时材料结晶性降低，造成吸收光谱蓝移。意外的是，中间烷基碳数的IDIC-C5Ph具有最弱的薄膜结晶性和最宽的光学带隙。尽管如此，单晶X射线衍射分析发现x=5时材料有区别于另外两个侧链截然不同的分子堆积方式。其诱导分子共轭主骨架产生两种正交的分子取向，分子排列呈现独特的网络结构，具有更多的π-π作用位点，可望实现高效的双通道电荷传输（TCCT）（图2）。针对x=5时IDIC-C5Ph材料展示出的弱薄膜态结晶性，科研人员通过多种后处理方式（热退火TA、热辅助溶剂退火TA-SVA）增强薄膜的结晶性（图3）。通过掠入射广角X-射线衍射（GIWAXS）发现三种材料对后处理方式具有不同的响应。对于IDIC-C5Ph而言，TA-SVA极大地增强了薄膜结晶性，诱导薄膜形成大量微晶，吸收光谱红移。TA-SVA优化后基于IDIC-C5Ph的活性层中π-π堆积强度更高且堆积距离更小，有利于分子间电荷高效传输。高分辨透射电镜（TEM）也进一步证实了这一规律。

光伏性能结果（图4）表明，IDIC-C5Ph器件经TA-SVA处理后，填充因子FF高达80.02%，且EQE大幅红移，器件转换效率PCE达到14.56%。高达80%的FF也是常规OSC器件中的最高值之一，反应了活性层内部良好的激子分离/电荷传输性能以及低的复合损失，大幅提高的FF归功于活性层内形成了具有TCCT的受体纳米晶域。考虑到TCCT特性在电荷传输及抑制复合方面的优势，构建了不同活性层厚度的系列光伏器件（图5）。常规单通道电荷传输IDIC-C4Ph器件，在膜厚105 nm时具有较高的FF（78.05%）和PCE，随着厚度增加，FF降低明显（300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65.26%），但厚膜OSCs的FF和PCE仍然高于绝大多数报道的数据，反应了此类侧链结构（烷基侧链-芳香末端）在调控BHJ形貌方面的优势。更有意思的是对于IDIC-C5Ph器件而言，在低膜厚115 nm时FF高达80.02%，随着膜厚增加，在307 nm时FF仍然高达75%，媲美大多数报道的低膜厚器件数据。在高达470 nm时，FF依然大于70%，PCE达到13%，体现了TCCT特性在厚膜OSCs研究中的优势。相关研究成果以“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics”为题目发表在Cell Press旗下的期刊The Innovation.

图文导读

图1.材料侧链调控与基本性质

                                           图1.（A）材料设计与思路；（B-C）吸收光谱；（D）分子轨道能级；（E）GIWAXS二维图

图2.单晶中分子堆积方式

                                                                  图2.单晶解析与分子堆积方式（烷基链隐藏）

图3.材料薄膜处理前后的GIWAXS谱图

                                               图3.材料薄膜处理前后的GIWAXS二维图（A-C, E-G, I-K）和一维线图（D、H、L）

图4.光伏性能研究

                                                             图4. (A-C)J-V曲线；(D-F) FF值统计图；(G-I) EQE曲线

图5.厚膜OSCs性能及对比研究

                                           图5.（A、B）基于IDIC-C4Ph和IDIC-C5Ph的厚膜器件性能；（C、D）该工作与文献参数对比

综上所述，该研究通过微调烷基碳数及合理后处理，在受体材料中诱导形成了独特的双通道电荷传输（TCCT）特性。TCCT分子堆积可以更高效地传输载流子，抑制电荷传输过程中的双分子复合，提高OSCs的FF（>80%）以及光电转换效率，并在厚膜OSCs中展现出良好的应用前景（FF>70%, PCE>13%）。该研究表明非共轭侧链对分子自组装方式具有重要影响，值得进一步深入研究。

该工作于2021年2月6日在The Innovation第二卷第一期正式刊出发表。The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press共同创办的综合性英文学术期刊，目前有163位编委会成员，来自20个国家；45%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation于2020年5月20日创刊面世，目前即时指数(immediacy index)为3.571，约相当于影响因子16 (IF=16)。

本文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00015-1#

团队在该领域的近期工作

课题组近两年来在有机光伏器件形貌调控和器件稳定性及柔性方面取得系列进展。研究结果表明团队设计的柔性侧链-位阻末端的结构设计可以很好的调控活性层材料的聚集特性^1-3，在涉及体系的器件中均表现出改善的填充因子和效率，同时在三元器件中亦表现出优异的通用性^4-6；此外发展的“网格限域”概念显著提升有机光伏器件的稳定性和柔性⁷。

1. Y. Li*, N. Zheng, L. Yu, S. Wen, C. Gao, M. Sun, R. Yang*,Adv. Mater.2019,31, 1807832.

2. Y. Li*, L. Yu, L. Chen, C. Han, H. Jiang, Z. Liu, N. Zheng*, J. Wang, M. Sun, R. Yang* and X. Bao*,The Innovation, 2021,2, 100090.

3. C. Han‡, H. Jiang‡, P. Wang, Y. Lu, J. Wang, J. Han, W. Shen*, N. Zheng, S. Wen, Y. Li*, X. Bao*,Mater. Chem. Front.2021, DOI: 10.1039/D0QM01037E.

4. H. Jiang‡, X. Li‡, J. Wang, S. Qiao, Y. Zhang*, N. Zheng, W. Chen*, Y. Li*, R. Yang*,Adv. Funct. Mater.2019,29, 1903596.

5. H. Jiang‡, X. Li‡, H. Wang, Z. Ren, N. Zheng*, X. Wang, Y. Li*, W. Chen*, R. Yang*,Adv. Sci.2020,7, 1903455.

6. H. Jiang, C. Han, Y. Li*, F. Bi, N. Zheng, J. Han, W. Shen, S. Wen, C. Yang, R. Yang*, X. Bao* ,Adv. Funct. Mater.2020,30, 2007088.

7. J. Han, F. Bao, D. Huang, X. Wang, C. Yang*, R. Yang*, X. Jian, J. Wang*, X. Bao*, J. Chu,Adv. Funct. Mater.2020,30, 2003654.