有機太陽能電池(Organic solar cells，OSCs)憑借質輕、可溶液法加工、成本低等獨特的優勢，受到廣泛的關注和研究。目前，高效率的OSCs吸光活性層由聚合物給體和小分子非富勒烯受體組成，但聚合物本征的分子量多分散性使其存在批次差異性，會造成光電轉化效率(PCE)的不同，不利于未來的大批量制備。
 

　　相比之下，全小分子有機太陽能電池由于化學結構確定、重復性好和批次差異小等特點，得到越來越多的關注。同時，不理想的微相分離形貌限制了其PCE的進一步提升。給受體類似的A-D-A型結構使得合理的調控相形貌成為較大的挑戰，高結晶性和合適的相分離尺度往往相互制衡，造成相對較低的PCE(通常<16%)。
 

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所有機光電材料與器件團隊在研究員葛子義的帶領下取得了一系列進展。前期研究結果(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2808-2815)發現，在小分子給體側基引入雙氟原子，能顯著改善分子pi-pi堆積、激子解離和電荷傳輸，最終獲得超過13%的光電轉化效率。通過進一步優化后處理工藝，全小分子器件PCE進一步提升至15.4%，同時闡釋了熱退火和溶劑退火對于調整活性層形貌存在不同的運作機理(Adv. Energy Mater., 2021, 2100800)。
 

　　近日，該團隊在全小分子有機太陽能電池領域取得了新進展。研究首次將端基非對稱取代策略運用于小分子給體材料中。通過組合一系列不同吸電子能力的端基――氰基乙酸酯(CA)、羅丹明(Reh)、和茚酮(ID)，研究設計合成了一系列新型的小分子給體材料――SM-CA、SM-CA-Reh、SM-Reh、SM-CA-ID和SM-ID。
 

　　與小分子受體N3共混時，研究發現基于SM-CA-Reh:N3的器件整合了SM-CA:N3高填充因子和SM-Reh:N3高電流的特點，最終器件效率從15.41%(SM-CA:N3)顯著提升至16.34%。該效率同時是目前公開報道的二元全小分子太陽能電池的最高值。
 

　　而基于SM-CA-ID和SM-ID的器件效率逐漸下降，分別為8.20%和2.76%。通過表征微觀的分子堆積和整體的相分布，研究發現分子的pi-pi堆積是決定相分離形貌的主要因素，而非結晶性或者偶極作用。同時，SM-CA-Reh:N3中由于羅丹寧的引入，相尺寸略微增大，仍保持了SM-CA:N3中較好的相分離網絡。這較好解釋了基于SM-CA-Reh:N3的器件對于SM-CA和SM-Reh光伏性能的整合。
 

　　相關研究成果以Asymmetric Substitution of End-Groups Triggers 16.34% Efficiency for All-Small-Molecule Organic Solar Cells為題，發表在Advanced Materials上。研究工作得到中科院國家納米中心和華南理工大學的支持，并獲得國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金等的資助