有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）由于具有輕量化、柔性、可溶液法大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，成為光伏領(lǐng)域的重要研究方向，特別是2015年新型非富勒烯受體的出現(xiàn)，極大地推動(dòng)了OSCs的發(fā)展，然而目前報(bào)道的絕大多數(shù)的高性能電池均是基于~100 nm的捕光層材料。但在面向應(yīng)用的大面積器件的印刷制備中，OSCs捕光層厚度是一個(gè)繞不開(kāi)的課題：首先隨著膜厚的增加，捕光層內(nèi)電荷的復(fù)合損失顯著增加，電池效率迅速下降；其次較薄膜厚的印刷制備會(huì)對(duì)設(shè)備和工藝的要求極為苛刻。因此，發(fā)展新方法開(kāi)發(fā)具有膜厚敏感低的有機(jī)光伏材料對(duì)于OSCs的印刷制備及應(yīng)用具有重要意義。
圖1 有機(jī)分子雙通道堆積及厚膜器件應(yīng)用
最近，青島能源所先進(jìn)有機(jī)功能材料與器件研究組在前期非富勒烯受體的新型側(cè)鏈工程研究基礎(chǔ)上（Adv. Mater., 2019, 31, 1807832; Adv. Funct. Mater., 2020,30, 2007088等），進(jìn)一步系統(tǒng)研究并深入揭示了烷基側(cè)鏈的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子堆積、捕光層形貌及電荷傳輸更為精細(xì)的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)側(cè)鏈烷基碳數(shù)細(xì)微調(diào)控對(duì)共軛材料分子堆積方式展現(xiàn)出截然不同的影響，在側(cè)鏈碳數(shù)為5時(shí)的IDIC-C5Ph受體中存在奇特的分子堆積，我們首次提出了雙通道電荷傳輸（TCCT）概念，可實(shí)現(xiàn)了電荷更為高效的傳輸與提取。光伏性能結(jié)果表明，IDIC-C5Ph基器件最優(yōu)條件下的填充因子（FF）可高達(dá)80.02%，是常規(guī)有機(jī)光伏器件中的最高值之一?？紤]到TCCT特性在電荷傳輸及抑制復(fù)合方面的優(yōu)勢(shì)，IDIC-C5Ph基器件隨著膜厚增加到307 nm時(shí)FF仍然高達(dá)75%，媲美大多數(shù)報(bào)道的低膜厚器件數(shù)據(jù)；進(jìn)一步增加到470 nm時(shí)，F(xiàn)F依然大于70%，PCE達(dá)到13%。與之對(duì)比，常規(guī)單通道電荷傳輸?shù)腎DIC-C4Ph器件，最優(yōu)膜厚105 nm時(shí)具有較高的FF（78.05%）和轉(zhuǎn)換效率，但隨著厚度增加FF明顯降低（300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65%）。這些結(jié)果表明側(cè)鏈誘導(dǎo)的TCCT特性賦予電池低的膜厚敏感性，對(duì)大面積電池印刷制備具有重要推動(dòng)意義。
相關(guān)研究成果以“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics”為題目發(fā)表在The Innovation期刊上（期刊由中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)與Cell Press共同創(chuàng)辦的綜合性英文學(xué)術(shù)期刊，領(lǐng)域覆蓋全部自然科學(xué)，旨在向科學(xué)界展示鼓舞人心的跨學(xué)科發(fā)現(xiàn)）。論文第一作者為李永海副研究員，通訊作者包西昌研究員、陽(yáng)仁強(qiáng)研究員等人。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、兩所融合基金等項(xiàng)目的大力支持。（文/圖 李永海 包西昌）
論文鏈接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00015-1#
