“中科院能源所揭示三元有机太阳能电池中的分子相互作用新机制”

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科技日报记者王健高通讯员刘佳

10月16日，记者从中科院青岛生物能源与过程研究所获悉，该所最新科学研究揭示了三元有机太阳能电池中分子相互作用的新机制。 相关业务在线发表在期刊《先进功能材料》Advanced Function Almaterials ( ADV.Funct.mater .，2007088 )上。 与已报道的高效三元组件相比，该工作人员深入研究了三元体系内客体成分和主体对受体材料的相互作用，为快速发展高效三元有机太阳能电池提供了新的研究思路。 论文第一作者为博士生姜焕祥，通讯作者包西昌研究员、阳仁强教授及李永海副研究员。

三元有机太阳能电池( ternary organic solar cells，toscs )作为一种较有效地扩大光伏响应范围的策略，近年来得到国内研究者的广泛关注，并得到了高速发展。 这主要得益于toscs与双部件相似的简单制备工艺和非富勒烯受体的繁荣和快速发展带来的丰富的材料来源，目前基于高效非富勒烯受体y6系统的toscs的光伏效率高达18%。 toscs具有良好的机械性能、透光性和大面积加工的可能性，在半透明、柔性等电子器件行业有着巨大的快速发展潜力。 但是，并不是所有能级一致、吸收光谱互补的材料都能作为客体制作3个元件。 因为，第三组分(客体)的引入，相对于主体的二元体系，有可能破坏原始二元共混膜内的有序分子沉积和纳米互穿互联网，增加复合损失，降低能量转换效率。 因此，第三成分必须与主体材料具有良好的相容性，客体的导入可以作为形态控制剂而不是复合中心和形态陷阱来确保。 虽然主对象之间的兼容性可以通过一点测试手段进行研究，但第三成分的选择目前越来越多的是经验或试错法进行的。

中科院青岛能源所先进功能材料与器件研究组在toscs主客体相互作用的研究方面取得了重要进展。 基于前期烷基侧链芳香末端的新型侧链受体la1的研究( adv.mater.2019、1807832； adv.Funct.Mater.2019、1903596； adv. sci .，7，7，1903-455 )通过控制受体的封端基团设计了结晶性更强的材料la9。 与结晶性适度的la1相比，la9过强的自凝聚性会给二元活性层带来严重的相分离和高电荷复合损失，二元电池pm6:la9的最高光伏效率( 13.12% )弱于pm6:la9二元系( 13.89% )。 尽管如此，la9和la1作为第三成分加入到二元主体系pm6:ncbdt-4cl (pce=13.48% )中，所构建的两组toscs光伏效率均大幅提高( 15% )。 。 la9三元电池与la1三元部件( 15.39% )相比，具有更高的光伏效率( 15.75% )，是目前非y6三元系统的最高效率值。 这是因为考虑到la-9相对于la-1具有更高的lumo能级，如果排除开路电压的影响，则la-9在控制三维形态方面比la-1对象实际上更好。 研究表明，la9具有比la1更强的材料结晶性，但la9与主体施主分子之间有较弱的分子间相互作用力。 客体受体和施主之间适度的相互作用有利于施主分子更有序的分子沉积，客体受体和宿主受体之间相对较弱的相互作用可以促进两者之间更高的相容性，大大优化三元体系的分子取向和纳米形态，提高电荷传输性能，抑制复合损失，也是la9三部件la1三部件。