武汉理工大学李伟, Nano energy:噻吩结构添加剂调控非富勒烯分子织构实现19.9%有机光伏电池

近日，武汉理工大学王涛课题组李伟研究员与硕士研究生周金鹏等人就新型固体添加剂在高效有机太阳能电池应用展开研究，在国际知名期刊 Nano energy发表题为“Thiophene structured additives toward enhanced structural order and reduced non-radiative loss for 19.9% efficiency organic solar cells”的文章。该文章开发了三种基于噻吩并噻吩结构的新型固体添加剂，即噻吩并[3,2-b]噻吩(TT)， 3,6-二溴噻吩并[3,2-b]噻吩 (TTBB)和3-溴-6-碘噻吩[3,2-b]噻吩 (TTBI)来增强一系列电子给体和受体的分子相互作用。X射线技术和分子动力学模拟表明，通过调整它们的静电势和偶极矩，可以很好地调节它们与给体 (PM6和D18)或受体 (L8-BO)的相互作用位点和相互作用能。结果发现，电正性最强的TTBB与PM6的相互作用最强，促进PM6分子结晶性增强；而非对称结构TTBI则使L8-BO的分子堆积更紧密，烷基链排列更有序。结果表明，在TTBB或TTBI的辅助下，PM6:L8-BO本体异质结有机太阳能电池获得了更好的电荷传输性能，降低了非辐射能量损失。当进一步考虑TTBB和TTBI对PM6(D18)和L8-BO的协同作用时，PM6(TTBB)/L8-BO(TTBI)和D18(TTBB)/L8-BO(TTBI)的PCE分别达到19.4%和19.9%，是单结有机太阳能电池中最高的PCE之一。

GIWAXs测试表明，引入TTBB的PM6薄膜和引入TTBI的L8-BO薄膜观察到更为明亮和尖锐的𝜋–𝜋 堆积衍射峰，取得了最小的𝜋–𝜋堆积距离和最大的晶体相干长度。更有趣的是，在L8-BO(TTBI)薄膜中，L8-BO的宽𝜋–𝜋衍射峰变成了两个尖锐的衍射峰，这表明L8-BO形成了多晶结构，证实了TTBI与L8-BO分子间的最强作用。另一方面，与纯L8-BO薄膜相比，加入添加剂的L8-BO膜在qxy=0.35Å-1处显示出一个新的明亮衍射峰，这可以归因于其（1 1 -1）烷基链层状堆积衍射峰，表明L8-BO的烷基链排列更为有序。

如图3所示，噻吩添加剂通过诱导光活性材料形成更为紧密的𝜋–𝜋堆积结构使得光伏电池具有更短的电荷提取时间和更长的载流子寿命以及更快的载流子传输速度，证实了改进的电荷提取和复合过程，对应于器件光伏参数中FF和JSC的提高。此外，在所有系统中均能观察到非辐射复合能量损失的降低和能量有序度的提高，这主要归因于噻吩添加剂通过调控分子堆积使结构有序性得到了增强。

分子动力学模拟和GIWAXs测试结果表明，TTBB和TTBI分别与PM6和L8-BO的相互作用最强。为了充分利用这种独特的效果，对PM6（TTBB）和L8-BO（TTBI）薄膜进行逐层沉积制备光活性，取得了19.4%的光电转换效率。当该策略进一步扩展到D18/L8-BO光伏系统时，观察到19.9%的最高PCE，实现了光伏电池JSC、FF、VOC的同时提升。这是单结有机太阳能电池中最高的光电转换效率之一，验证了噻吩并[3,2-b]噻吩基添加剂的多功能性。

综上所述，本工作通过调整噻吩并[3,2-b]噻吩结构添加剂的取代位点和取代原子，系统研究了三种噻吩结构添加剂与电子给体和电子受体材料的相互作用机制。我们发现，添加剂共轭核心上的静电势主导了它们与PM6的相互作用，有助于诱导它们的结晶度提高，而不对称添加剂的偶极矩可以改变L8-BO的分子堆积行为，导致更紧密的𝜋–𝜋堆积和更松散的层状堆积。结果表明，TTBB和TTBI辅助的PM6:L8-BO 本体异质结器件获得了增强的电荷传输和减少的非辐射复合能量损失。当进一步利用TTBB和TTBI分别在PM6（D18）和L8-BO上的强分子间相互作用时，逐层沉积的PM6（TTBB）/L8-BO（TTBI）和D18（TTBB）/L8-BO（TTBI）器件实现了19.4%和19.9%的显著PCE，FF、JSC和VOC得到了增强。我们的工作提供了一种形貌优化策略，用于同时获得高效的电荷传输和减少能量损失，以实现高效的有机光伏器件。相关论文发表在期刊Nano energy上，武汉理工大学硕士研究生周金鹏为文章第一作者，李伟研究员为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金的支持。