【儀表網 研發快訊】有機太陽能電池(OSC)由于本征柔性、質輕、半透明等特點，在便攜能源、光伏-建筑一體化、節能玻璃及高效農業等領域具有廣闊的應用前景。不同于硅基等無機光伏電池，OSC的給受體異質結界面問題更為復雜，因而調控活性層本體異質結的微觀形態對改善激子/電荷行為及光伏效率至關重要。同時，活性層溶液法制備過程中，體相內不可避免地產生部分亞穩態區域。OSC長期工作過程中，給受體界面的小分子受體會自發進行擴散再聚集，從而破壞兩相分離，影響電荷傳輸并導致OSC性能下降。因此，抑制亞穩態區域的形成，對改善OSC的穩定性、獲得長效運行的光伏電池具有重要作用。
 

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員包西昌帶領的先進有機功能材料與器件研究組，從第三組分摻雜出發，采用分子外圍功能化方案，在OSC的相態調控、穩定性提升及高效率制備等方面取得了一系列進展。相關成果相繼發表在《先進材料》(Advanced?Materials)上。
 

　　該研究優化受體分子側鏈功能基團的位置(圖1)，將face-to-face/face-to-edge混合取向堆積的客體分子轉換為100% face-to-face優勢取向，提高了垂直方向的電子傳輸性能。單晶解析和相關理論分析發現，側鏈外圍功能化的分子可以通過外圍共軛平臺與相鄰受體分子骨架形成緊密的π-π相互作用，使分子取向實現定向錨定。而相對于功能化基團在內側的客體分子，外圍功能化的客體與主體受體之間形成類合金聚集態，呈現出更為規整的分子排列與取向，降低了受體相內的缺陷密度及復合損失。摻雜后的OSC光伏效率達到19.12%，且類合金體相在熱力學上更趨向于平衡態，OSC的熱穩定性得到明顯提升。因此，調控摻雜客體分子的堆積取向及主客體相互作用，對獲得合適相分離、抑制亞穩態生成、提升光伏電池穩定性具有積極作用。
 

　　進一步，研究對外圍功能化的客體分子主骨架進行再調控，獲得了高質量的類合金體相，同時，類合金聚集體的晶域尺寸可以通過客體摻雜比例進行線性調控(圖2)。相比受體相內同時存在客體自聚集區域及類合金區域，該研究中客體分子與主體受體具有高度兼容性。實驗結果分析顯示幾乎所有的客體分子均參與類合金體相的構建，這是類合金晶域尺寸可以線性調控的本質原因。同時，客體分子摻雜后，無論是主體聚合物給體還是主體受體的結晶性均得到增強，促進了垂直方向空穴和電子的傳輸。此外，客體分子形成的類合金聚集體均包覆在主體受體相內，形成了核殼結構(主體包覆客體)，增強了主客體之間的能量轉移。對于這種獨特的聚集態結構，研究首次提出了具有普適性的主客體結晶性、表面能、兼容性相互關系以及給受體相互作用四要素協同作用的驅動機制。此類獨特的主客體聚集態及分子堆積，對于提高電荷傳輸、抑制電荷復合起到重要作用。研究將其作為客體分子進行摻雜，在多個體系中實現了超過80%的填充因子(最高達到81.1%)和19.2%的高能量轉換效率。除了效率提升外，研究再次發現類合金體相的形成明顯改善了OSC的穩定性，驗證了類合金體相對抑制亞穩態形成、提高光伏電池穩定性的作用。
 

　　基于上述研究，類合金體相提升穩定性的機制可歸因于類合金晶域更為規整的分子堆積以及由此產生的更高玻璃化轉變溫度(Tg)。受體域Tg的提高可降低給受體界面小分子受體向聚合物給體相的擴散系數，保持活性層相分離的穩定。有研究報道，相對于單個小受體分子單元，構建寡聚物受體分子(如二聚體和三聚體等)可提升受體的Tg及OSC的熱穩定性。例如，基于寡聚受體制備的OSC效率可達18%，T80達到35000小時(每天工作8小時計算，相當于穩定運行12年)，可滿足應用需求。然而，寡聚受體的合成和分離成本均較高。目前，研究組在開發更加廉價的寡聚受體制備方法，并在錨定OSC穩定性的本征提升，開發更適合大面積印刷工藝、低成本、易操作提高OSC穩定性的原位技術及方案(包括熱穩定性、柔性電池的機械穩定性等)，以發展高效穩定、更具應用前景的OSC。
 

　　研究工作得到國家自然科學基金委員會、山東能源研究院及中國科學院青年創新促進會等的支持。
 

　　圖2.?多因素驅動的客體分布對OSC光伏性能和穩定性的影響