2023年10月31日，武汉大学闵杰/孙瑞团队在Joule期刊发表了一篇题为“All-Small-Molecule Organic Solar Cells with 18.1% Efficiency and Enhanced Stability Enabled by Improving Light Harvesting and Nanoscale Microstructure”的研究成果。
该成果通过引入具有较强结晶性的窄带隙不对称小分子受体材料，合理化构建主/客体类合金受体相，改善活性层纳米微观结构的同时也能起到固化作用，有效抑制了活性层形貌的演变，实现了全小分子有机太阳能电池效率与稳定性的协同提升。论文通讯作者是闵杰、孙瑞，第一作者是高远、杨欣荣。
有机太阳能电池因具有可溶液加工、质轻、柔性、价廉以及半透明等特点，在物联网、可穿戴器件、光伏建筑一体化等领域展现出巨大的应用潜力。研究人员多年来致力于高性能给受体材料设计、活性层形貌优化、器件工艺改进，使得实验室制备的聚合物太阳能电池效率已经超过了19%。与聚合物太阳能电池相比，全小分子有机太阳能电池（all-SMOSCs）因其活性层材料分子结构明确、易于纯化、批次间差异小等优势，近年来备受关注并获得广泛研究。然而，由于小分子的共轭长度有限、结晶速度快以及给受体间的混溶性等问题使得其活性层形貌很难获得良好的互穿网络以及合适的相尺寸，导致all-SMOSCs的器件效率远落后于聚合物体系。除此之外，由于all-SMOSCs具有较低的相转变温度（Tg），在光或热的应力作用下更容易发生聚集形成过大尺寸的给体或受体相，导致其运行稳定性与基于聚合物的活性层体系存在着较大的差距，因此极大地限制了all-SMOSCs进一步发展以及商业化应用。
针对上述关键科学问题，武汉大学闵杰/孙瑞团队基于前期非对称小分子受体的研究（Adv. Mater. 2022, 34, 2110147; Adv. Mater. 2023, 35, 2300531），合成了一个相较主体系受体材料L8-BO带隙更窄、结晶性更强的小分子受体材料L8-S9（图1），发现该受体分子与主体系在光谱上具有良好的互补性，将其作为客体材料引入到主体系MPhS-C2:L8-BO中构建了三元全小分子活性层体系，有效拓宽了光学吸收范围。进一步对主客体之间的相容性、表面能以及结晶度综合研究发现，客体分子的引入还使主体系的结晶性得到了增强，促进了垂直方向空穴和电子的传输，并且客体分子与主体分子具有良好的互容性，渗透到了主受体相内部，形成了主/客体类合金相。
图1：研究体系的化学结构以及材料性能表征。
形成的类合金受体相有效地改善分子堆积，提升电荷传输，抑制电荷复合损失。并且得益于类合金相的形成，三元体系的活性层形貌也得到了极大改善，具有更小的粗糙度以及更合适的相分离，这也有利于高效的激子解离以及电荷输运，通过精确调控主客体比例，三元体系最终实现了18.1%的光电转换效率，是迄今为止全小分子活性层体系文献报道的最高器件效率（图2）。另外，该体系的稳定性研究也取得了令人鼓舞的实验结果。研究发现三元活性层体系相比于二元主体系运行稳定性得到了显著提升，其器件T80值可长达近1000小时（图3）。
图2：研究体系的器件性能表征以及文献报道的全小分子体系总结。
图3：研究体系的运行稳定性测试与分析。
该工作的研究发现，类合金受体相提升稳定性的机制可归因于其Tg的提高，合金相较高的Tg可以起到固化活性层微观结构的作用，有利于抑制外界应力作用下小分子发生分层及迁移而引起的形貌演变，从而延缓了器件性能的衰减。综上，该研究为高效稳定全小分子太阳能电池的开发提出了简单可行的新策略，缩小了与聚合物太阳能电池之间的效率及稳定性上的差距，使all-SMOSCs展现出更大的商业化潜力。
该研究得到了国家自然科学基金委、中央高校基本科研业务费和武汉大学科研公共服务条件平台的支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.10.006
