近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心納米系統(tǒng)與多級(jí)次制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員魏志祥、呂琨、博士鄧丹和西安交通大學(xué)教授馬偉等合作，設(shè)計(jì)并合成的可溶性有機(jī)小分子光伏材料，通過(guò)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(xiàn)報(bào)道的可溶性有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池的最高效率，也是有機(jī)太陽(yáng)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(jī)太陽(yáng)能電池因?yàn)槠渚哂性牧蟻?lái)源豐富、成本低廉、質(zhì)量輕、可通過(guò)印刷制備為大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，成為具有重要應(yīng)用前景的太陽(yáng)能利用方式，近年來(lái)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(jī)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(diǎn)。但是，目前基于有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池的效率依然需要進(jìn)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(gè)主要途徑，一是通過(guò)分子設(shè)計(jì)調(diào)控能級(jí)結(jié)構(gòu)，二是通過(guò)改善器件活性層形貌從而降低電荷復(fù)合，減少能量損失。魏志祥課題組通過(guò)改變可溶性小分子的端基受體中氟原子的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)方面的協(xié)同優(yōu)化。氟化端基有利于降低材料的HOMO能級(jí)和光學(xué)帶隙;同時(shí)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(dǎo)了材料在水平方向上多級(jí)次相尺寸的分布，即同時(shí)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(jí)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(fù)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(jìn)一步減少了能量損失，從而實(shí)現(xiàn)了器件效率的提升。基于此，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(jì)、形貌調(diào)控和器件性能之間的內(nèi)在關(guān)系，對(duì)高效率有機(jī)光伏材料的設(shè)計(jì)具有重要借鑒意義。

該成果得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院納米先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。