江汉大学阳仁强&王迅昶团队EES:再创新高！二元全小分子有机太阳能电池效率超17%

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前言回顾

与聚合物太阳能电池（PSCs）相比，由小分子给体和小分子受体组成的全小分子有机太阳能电池（ASM-OSCs）具有明确的分子结构，材料和器件批次间的差异很小，因此在商业化方面具有独特的优势。尽管目前研究人员开发了大量优秀的小分子受体，如ITIC、IT-4F、Y6和L8-BO等，但其效率仍远远落后于PSCs。主要是因为缺少合适的小分子给体（SMDs）和相关结构-性质关系的认知。因此，应该更好地使用构建单元来调节分子结构。

幸运的是，在最近的研究中，A-π-D-π-A型SMDs已经取得了相当大的进展。当与Y6系列受体匹配时，这些给体在共混膜内形成良好的混溶性和形貌，可以通过能级匹配、抑制复合过程、平衡空穴和电子迁移率以及增加光电流密度等行为来提高最终器件性能。目前已有多种合成策略来调节SMDs的结构和性质。其中，具有悬垂侧链的给电子核被认为是建立分子内“推拉效应”和增加溶解度的关键成分。例如，对称二维侧链策略已广泛应用于高性能光伏材料设计中，它可以赋予分子更大的偶极矩、更强的分子间相互作用，并且能够通过卤素作用来调节能级。然而，上述策略很少用于SMDs之中。此外，对于不对称结构在分子性质、结晶度、相互作用、活性层形态等方面所带来的影响还缺乏进一步的了解，而这对于加速ASM-OSCs的发展是非常有必要的。

图1. 分子结构与相关性质

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文献简介

基于上述的考虑，近日，江汉大学阳仁强教授、王迅昶博士研究团队设计了两个新型A-π-D-π-A型SMDs并命名为TB和TB-F，它们与广泛研究的BTR-Cl具有相同的π桥和端基，唯一不同的是中心核上具有不对称的噻吩和苯基侧链。研究人员从固态分子填充、分子内相互作用、共混膜中的混溶性和相分离以及电荷动力学行为等多个角度，全面研究了两种SMDs如何影响器件性能。形态学研究表明，基于TB-F:L8-BO的混合物中形成了更合适的相分离、多尺度的渗透网络和均匀的垂直D/A分布。同时，光动力学分析表明，与对称共混物相比，基于TB-F的共混物具有更大的激子扩散系数和更快的激子解离过程。

图2.不同器件光伏性能比较

此外，研究人员还通过理论模拟定量观察到：在结合能较低的不对称SMDs中，分子堆叠距离较小，同时苯基侧链和端基之间的额外堆叠，会导致更强的D/A相互作用。最终，基于TB:L8-BO的器件效率为15.8%，基于TB-F:L8-BO的器件效率为17.0%，是迄今为止所报道的二元ASM-OSCs的效率最高值。然而，基于BTR-Cl:L8-BO的对照器件效率仅为15.0%。这些结果表明了二维侧链对于优化材料结构的重要性，有利于进一步调整SMDs的形态和电子特性，从而实现更好的性能。

图3.模拟共混膜分子堆积形态

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文献总结

综上，该工作为未来更高性能ASM-OSCs传达了设计灵感，相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》上，题为“Over 17% efficiency all-small-molecule organic solar cells based on an organic molecular donor employing 2D side chain symmetricbreaking strategy”。

本文关键词：有机太阳能电池，小分子给体，二维侧链，不对称设计，形貌优化。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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