武汉理工李伟J. Am. Chem. Soc.：压缩分子堆积实现单结20.2%有机光伏电池

第一作者：孙元栋

通讯作者：李伟*，

单位：武汉理工大学

有机光伏电池（OPVs）是一种利用有机半导体材料作为光活性层的光伏器件，其在柔性可穿戴电子设备等领域具有巨大的应用潜力。近年来，随着新材料设计和器件工程等方面的不断创新，OPVs的光伏性能取得了迅速的发展。然而，相较于传统的硅等光伏电池，虽然有机光伏电池的内部量子效率（IQE）已十分理想，但其填充因子（FF）和开路电压（VOC）却显著落后。这一现象主要是由活性层中高度无序的有机半导体材料所引发的低效的载流子传输效率以及较大的开路电压损失所致。虽然已有不少研究表明，增强有机半导体材料的聚集度可以提高载流子传输效率，但这往往会伴随非辐射能量损失的显著增加。这使得传统策略在同时实现载流子传输的优化和能量损失的抑制方面十分困难。鉴于此，本论文就分子堆积排列结构与能量损失的关系进行了详细的研究与讨论，提出了压缩分子堆积结构来实现载流子传输和能量损失同步优化的策略，为未来的研究提供了理论指导，对实现有机光伏电池的效率的进一步突破具有重要意义。

近日，武汉理工大学王涛课题组李伟研究员与博士研究生孙元栋等人就非富勒烯受体分子堆积结构展开研究，在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“π-extended non-fullerene acceptor for compressed molecular packing in organic solar cells to achieve over 20% efficiency”的文章。该文章就分子堆积排列结构与能量损失的关系进行了详细的研究与讨论，同时提出了压缩分子堆积结构来实现载流子传输和能量损失同步优化的策略，并在诸多经典有机光伏体系中对该策略的有效性进行了普适性验证，最终在PM6:L8-BO和D18:L8-BO的体系中实现了目前单节OPVs最高的光电转换效率（分别为19.8％和20.2％）。

在本工作中，作者设计合成了具有大孔隙的π-扩展非富勒烯受体B6Cl（图2）并将微量的B6Cl引入到同样具备网状堆积结构但孔隙较小的L8-BO中去研究了受体分子堆积行为的变化。尽管在L8-BO和B6Cl各自的纯受体膜中难以观察到晶格条纹，但在L8-BO 和 微量B6Cl的共混膜中却可以观察到明显的晶格条纹。这表明，B6Cl能够显著促进宿主受体的结晶过程，从而提高分子堆积的有序度（图2）。GIWAXS测试和分子动力学模拟表明，B6Cl的引入不仅可以显著缩短宿主受体分子π-π堆积的距离，而且在面内方向显著提高了烷基链排列的有序性，使得宿主L8-BO分子堆积结构被压缩且变得更为有序，从而在提升载流子传输的同时抑制非辐射复合（图3）。

如图4所示，压缩分子堆积策略下非富勒烯分子织构的转变不仅通过更紧密的π-π层叠结构使得光伏电池的载流子传输和提取效率大幅提升，而且通过更有序的烷基侧链堆积有效抑制了光伏电池工作过程中的非辐射能量损失，进而实现了光伏电池JSC、FF和VOC的同时提升。

此外，利用该策略将B6Cl微量引入使其兼容于多种聚合物：非富勒烯体系（图5），该工作最终在D18:L8-BO体系中实现了目前单节有机太阳能电池中最高的PCE（20.2%）。

综上所述，本工作设计合成具有扩展共轭分子骨架的非富勒烯受体（B6Cl）并将其引入到其他经典二元有机光伏体系中来改善宿主受体分子织构形式，实现了载流子传输和非辐射复合能量损失的同步优化。GIWAXS测试和分子动力学模拟表明， B6Cl通过其扩展的共轭骨架和较为疏松的分子堆积，显著缩短了宿主受体的π-π堆积距离并在面内方向诱导了有序度更高的烷基侧链排列的形成。这种分子堆积形态转变不仅可以增强电荷传输和提取，而且有效抑制了由于强聚集引起的能量损失。该策略在诸多经典光伏体系中得到了验证，并在D18:L8-BO:0.5wt％ B6Cl器件中实现了目前单节有机太阳能电池的最高的PCE（20.2％）。本工作对有机光伏的进一步的形貌优化提供了实践经验和理论补充。相关论文发表在期刊J. Am. Chem. Soc上，武汉理工大学博士研究生孙元栋为文章第一作者，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。

李伟，武汉理工大学研究员。2019年获武汉理工大学材料学博士学位，2019-2021年在英国Swansea university从事博士后研究。2022年加入武汉理工大学，主要从事有机光伏器件与物理方面的研究。现已在Journal of the American Chemical Society, Joule, Energy & Environmental Science等高水平刊物上发表SCI论文80余篇，授权国家发明专利6项。

课题组网站：http://www.taowanggroup.com/