上海交大刘烽/北航孙艳明/帝国理工颜骏团队《Nat.Mater.》：实现19.6%单结有机太阳能电池

美辑科研 2022-05-06 09:20

2022年5月5日，国际知名学术期刊Nature Materials刊发了上海交通大学化学化工学院刘烽教授团队及合作者在有机太阳能电池领域的最新研究成果“双纤维网络形貌助力单结有机太阳能电池效率超过19%”（Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology）。化学化工学院博士后研究员朱磊，博士生张明、徐锦秋为论文第一作者，上海交通大学刘烽教授、北京航空航天大学孙艳明教授以及帝国理工颜骏博士为通讯作者。上海交通大学化学化工学院、变革性分子前沿科学中心、物质科学原位中心、氢科学中心为第一完成单位。

有机太阳能电池在光伏建筑和柔性电子器件等领域具有重要的应用前景，近年来由于新材料的开发，器件的光电转换效率不断提高，正逐步追赶硅基太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。由于有机半导体中激子的本征物理特性（库伦束缚、扩散漂移、界面解离），以及有机半导体薄膜较低的迁移率，给受体共混异质结薄膜形貌一直是影响器件性能的关键因素。有机光伏薄膜形貌受热力学因素和动力学过程的双重影响，因素多，调控难度大。刘烽教授团队在高效率Y6类受体的形貌研究中发现了其特殊的类聚合物堆积形态，并在此基础针对分子组装形态与多尺度形貌优化开展了一系列的工作（Adv. Energy Mater. 10, 1904234, 2020; Adv. Mater. 33, 2007177, 2021; Nat. Commun. 12, 309, 2021）。同时，团队与合作者对Y6分子进行结构优化，设计合成了性能更优的L8-BO受体：通过引入弧外长支化侧链增强烷基侧链间相互作用，调整分子在晶格中的组合序列，使分子堆积更加紧密。这种特殊的多重分子间作用力，使得多个邻近二聚体交织形成了大长径比的组装结构，呈现长周期的对称性，并且对局部排列缺陷具有更高的耐受性（图1）。这些性质使得L8-BO易于形成长针状的单晶结构，且在薄膜中保留了这种大长径比的自组装特性，更易于形成似聚合物的纤维状结构。

图1. L8-BO分子在单晶中的大长径比结构

L8-BO与PM6共混构筑的有机薄膜光伏器件展现了突出的光电转换效率（Nat. Energy 6, 605–613, 2021）。研究发现普通的二元共混薄膜中仍存在激子和载流子扩散能力不平衡的问题，并且活性层中的双纤维网络特征尺寸不能适配光电物理参数，因此效率方面仍有提升空间。研究团队将D18作为第三元组分加入二元共混体系中，协同改善给受体纤维的结晶性质，平衡给受体端激子和载流子的扩散长度（图2），使得器件多维参数适配性显著提高。同时，D18的加入促进形成了更加密集的双纤维网络结构，纤维间隙中的共混相特征尺寸仅为5 nm，能更好的适配激子和载流子的传输性质，降低复合常数。密集的给受体纤维交织形成了电子和空穴传输的高速通道，且共混相较小的特征尺寸能更好地与激子载流子的扩散能力匹配，保证解离后的载流子能快速扩散到晶区进行传输，因此获得了效率的显著提升。

图2. 材料及体系中的激子扩散长度

利用AFM-IR分别表征了给体相和受体相的纤维网络形貌（图3）。采用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）表征了薄膜内的分子取向和结晶特性。D18的加入提高了活性层薄膜的结晶性和晶体尺寸，提高了纤维品质。结合多边共振软X射线散射（MK-RSoXS）量化了共混区尺度和界面取向。通过光物理、器件物理和漂移扩散模拟等手段定量分析了双纤维网络策略对激子扩散、电荷转移以及载流子传输等过程的改善。双纤维网络形貌的特征尺度与光物理核心参数的良好匹配，实现了激子、载流子的高效率利用，降低了复合损失常数。

图3. 活性层薄膜中的双纤维网络形貌

通过双纤维网络策略制备的有机太阳能电池光电转换效率达到19.6%，填充因子接近82%（图4），并获第三方独立机构福建省计量科学研究院国家光伏产业计量测试中心的认证（NPVM：19.2%），是目前有机太阳能电池单结器件报道的最高效率。基于双纤维形貌的形成机制，研究团队总结了构筑双纤维形貌结构的材料选择原则并验证了其普适性，该工作实现了有机光伏薄膜形貌特征尺度与光物理核心参数的匹配，为后续高效率有机太阳能电池的制备提供了新思路。

图4. 材料和器件性能

该工作得到了北京航空航天大学孙艳明教授，帝国理工学院Jenny Nelson 教授、颜骏博士，浙江大学朱海明研究员以及上海交通大学陈俊超副教授的大力支持。同时该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、上海市科委、山东省科学基金的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01244-y