AM观点：引入寡聚体受体构建效率超过18%的三元厚膜（300nm）有机太阳能电池

第一作者：魏亚男

通讯作者：蔡芸皓*，张昕*，黄辉*

单位：中国科学院大学，材料科学与光电技术学院

在分子设计和器件工程的共同努力下，有机太阳能电池（OSC）的能量转化效率（PCE）急剧攀升。然而在目前的高效率下，实现OSC高通量的商业化生产仍存在挑战。目前的高效率器件的活性层厚度均在100-120 nm的范围内，这将导致入射光子通量的利用不足。此外，在商业化生产中，获得无缺陷、均匀的薄膜存在困难，活性层的厚度通常可以达到数百纳米。因此，开发高效的厚膜有机太阳能电池对实现OSC从实验室到商业化生产至关重要。本篇观点选用含有S···F构象锁的寡聚受体材料DY-TF作为第三组份制备了高性能的厚膜器件。DY-TF的引入，促进了三元体系中电荷的产生与传输，抑制了电荷复合，进而有利于光伏性能的提升。基于PM6:L8-BO:DY-TF的厚膜（300 nm）器件，获得了18.23%的PCE（认证效率为17.8%），这是迄今为止报道的300 nm厚膜OSC的最高效率。这项工作获得了膜厚容忍度较高的OSC器件，预示着OSC的商业化生产将有一个更光明的未来。

近日，来自中国科学院大学的黄辉教授团队，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Over 18% Efficiency Ternary Organic Solar Cells with 300 nm Thick Active Layer Enabled by An Oligomeric Acceptor”的观点文章。该观点文章以寡聚受体材料作为第三组份，制备了高性能的厚膜有机太阳能电池，获得了18.23%（300 nm）的能量转化效率，并对器件内部的电荷产生、传输、复合过程进行了系统研究。

寡聚受体材料DY-TF具有良好的平面结构和较高的玻璃化转变温度（Tg=231℃）。以其作为第三组份制备的薄膜（110 nm）有机太阳能电池（PM6:L8-BO:DY-TF）获得了19.13%的能量转化效率，其开路电压为0.905 V，短路电流为26.93 mA•cm^-2，填充因子为78.50%；相应的厚膜（300 nm）OSC的PCE 为18.23%（认证效率为17.8%），其开路电压为0.884 V，短路电流为27.80 mA•cm^-2，填充因子为74.18%，这是迄今为止报道的厚膜OSC的最高效率；相应的大面积（1cm²）和刮刀（DB）涂覆的厚膜（300 nm）OSC分别获得了15.49%和17.38%的PCE，这分别是大面积和DB处理的厚膜OSC的最高效率值。DY-TF的引入有利于促进三元薄膜内部的电荷产生与传输，抑制电荷复合，进而获得优良的光伏性能。

由原子力显微镜分析得，随着DY-TF的加入，三元共混薄膜表现出明显的纳米纤维网络结构，有利于有效的激子解离和电荷传输。L8-BO和DY-TF具有相似的骨架结构、使其具有良好的互溶性。由广角x射线衍射（GIWAXS）分析得，三元混合薄膜的层状堆积峰是相干常数（CCL）从86.071Å提高到88.123Å，π-π堆积峰CCL值从21.518Å增加到23.015Å。三元共混物中优良的分子结晶度，有助于厚膜OSC内部的电荷传输。

此外，为了进一步研究DY-TF的添加对活性层的影响，我们进行了分子动力学（MD）模拟。结果表明，在PM6:L8-BO膜中添加DY-TF后，PM6和L8-BO之间的质心（COM）距离减小，从PM6:L8-BO膜中的约2.10nm减小到PM6:L8-BO:DY-TF膜中的1.16nm，说明PM6:L8-BO:DY-TF膜的分子堆叠比PM6:L8-BO薄膜的分子堆叠更紧密。由模型中心相对位置的质量密度结果得，添加DY-TF后，三元薄膜的质量密度的波动相对较小，表明三元薄膜比主体二元薄膜（PM6:L8-BO）具有更均匀的密度分布。三元薄膜的紧密堆叠和均匀的密度分布有利于电荷传输行为。

当前有机太阳能电池的性能不断提高，厚膜器件也获得了可观的光伏性能，但是厚膜有机太阳能电池的长期稳定性仍然存在问题。由于材料本身和薄膜形貌对光、热、空气较为敏感，所以有机太阳能电池的商业化应用仍具有挑战。进一步发展新型材料体系，或者开发新型器件结构，是获得高稳定性厚膜有机太阳能电池的可行策略。

“Over 18% Efficiency Ternary Organic Solar Cells with 300 nm Thick Active Layer Enabled by An Oligomeric Acceptor”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304225

蔡芸皓 副教授简介：蔡芸皓副教授主长期从事有机光电功能材料与器件的相关研究，以第一作者/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem. Mater.等期刊上发表论文52篇（他引3500余次），其中第一作者/通讯作者19篇。获得博士后创新人才支持计划、国家自然科学基金青年基金、博士后面上项目资助等。

张昕 副教授简介：张昕副教授长期从事有机半导体材料设计、合成和有机太阳能电池器件加工相关的研究。发表SCI论文50余篇（他引4000余次），其中包括：J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Sci. China Chem.等著名化学及材料领域期刊。主持国家自然科学基金青年科学基金项目和中国博士后科学基金，2022年入选“中国科学院青年创新促进会”会员。

黄辉 教授简介：黄辉教授主要从事有机/高分子半导体材料的合成和应用研究，迄今发表高水平学术论文120余篇，其中包括：Nat. Chem.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、CCS Chem.等国内外顶尖学术刊物。目前任中国化学会副秘书长、分子聚集发光委员会委员、青年工作者委员会委员， InfoMat、Sci. China Chem.编委等。先后获得多项奖励与荣誉，包括中科院朱李月华优秀教师奖、中科院优秀导师奖等，获国家杰出青年基金的资助。

魏亚男 博士毕业于中国科学院大学材料科学与光电技术学院，主要从事有机光电器件的研究，以第一作者和共同一作在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Nano-micro lett.、CCS Chem.、Sci. China Chem.等期刊发表SCI论文9篇。在读期间获博士研究生国家奖学金、中国科学院大学三好学生、北京市优秀毕业生、桥口隆吉优秀研究生等奖励和荣誉。

课题组主要围绕有机高分子半导体材料，开展了材料设计与合成及其光电应用研究。

中国科学院大学材料科学与光电技术学院黄辉教授团队招收化学材料物理专业硕士推免生/本科直博生

中国科学院大学材料科学与光电技术学院黄辉教授团队招收化学材料物理专业硕士推免生，本科直博生。

我们实验室的研究方向是有机高分子半导体材料的设计、合成与光电应用研究，主要包括：1. 开发有机高分子半导体材料的绿色、宏量、精准合成方法；2. 研究高性能有机高分子材料的新型设计策略；3. 探索有机高分子半导体材料的光电应用。目前实验室团队具备一支包括杰青、优青在内的年轻研究队伍，具备了材料合成与表征及其光电器件加工的高水平科研平台：合成方面，实验室除有常规的无氧无水合成系统，还有微波反应器，快速过柱仪，循环制备色谱等仪器设备；结构表征方面，所在学院及学校拥有核磁，质谱，粉末和单晶衍射仪，红外，紫外，扫描电镜，透射电镜，瞬态荧光光谱仪，高温凝胶色谱等各类大型设备，使用便捷；器件制备及性能表征方面，实验室拥有手套箱，探针台，量子效率测量仪，半导体参数测量仪，光刻机等各类设备。实验室目前已经在Nat. Chem.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.等化学和材料国际一流学术刊物发表多篇研究或综述论文。

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