葛子义, 马伟,Adv. Funct. Mater.调控喹喔啉受体中心烷基链取优化分子堆叠和降低能量损失并提高三元器件效率

第一作者：郭赟彤、陈振宇

通讯作者：葛子义*，马伟*

单位：中国科学院宁波材技术与工程研究所，西安交通大学

有机太阳能电池功率转换效率(PCE)低是限制其进一步产业化的重要原因之一。三元策略能够有效提高有机太阳能电池的光伏性能。三元策略寻求最大化光子收集和优化能级排列。当加入吸收光谱相当且消光系数更高的客体组分时，三元器件可以从太阳光谱中捕获更多的光子，获得更高的短路电流密度（J_SC）。为了在三元器件中创建高效的电荷传输通道并提高开路电压（V_OC），客体组分必须具有合适的最高已占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)。三元策略可以有效地调节相分离，良好的形貌可以获得优异的电荷提取和运输，从而获得较高JSC和填充因子(FF)。三元策略的关键挑战是客体材料的设计。我们设计并合成了一对基于喹喔啉核的非富勒烯异构体Q_x-p-C₇H₈O和Q_x-m-C₇H₈O。通过将连接在侧苯基上的烷氧基链从间位移到对位，可以同时增强pi-pi堆积和结晶度。Q_x-p-C₇H₈O作为客体组分掺杂在D18-Cl:N3二元器件中，获得光伏性能的提升，但基于Q_x-m-C₇H₈O的三元器件效率降低。

近日，来自中科院宁波材料所的葛子义研究员与西安交通大学的马伟教授合作，在国际知名期刊Adv. Funct. Mater.上发表题为“Fine-tuning alkyl chains on quinoxaline non-fullerene acceptors enables high-efficiency ternary organic solar cells with optimizing molecular stacking and reducing energy loss”的文章。文章研究了喹喔啉非富勒烯受体中心核上的烷氧基链取向不同对分子堆积行为的影响，将其作为客体受体材料能够提高三元有机太阳能电池的效率，减小能量损失。

适当的相分离和分子堆积可以有效抑制电荷重组，改善电荷输运，能够提高器件的JSC和FF。烷基链取向的改变会影响分子的几何结构。侧链取向的微调对非富勒烯分子间聚集特性的改变起着至关重要的作用。侧链取向修饰策略，为高性能非富勒烯受体的设计提供思路。由于Q_x-p-C₇H₈O的中心侧链与主链的二面角比Q_x-m-C₇H₈O小，Q_x-p-C₇H₈O的分子排列更有序。

开路电压损失可以用能量损失来量化，一般由三部分组成：ΔE₁是带隙以上的辐射复合损失，这对于任何类型的太阳能电池都是不可避免的；ΔE₂是带隙以下的辐射复合损失；ΔE₃是非辐射复合损失，是构成能量损失主要部分的不可克服的因素。能量损失的缓解主要靠降低ΔE₂和ΔE₃。ΔE₂可以通过分子设计，降低能量紊乱或重组能量的程度，而ΔE₃可以通过提高光伏材料或器件的发光效率或减少三重态的出现来抑制。ΔE₂和ΔE₃的同时降低在二元有机光伏电池是一项艰巨的任务。相比之下，添加第三种组分来构建三元器为解决上述能量损失问题提供更多可能。Q_x-p-C₇H₈O的加入可以调节三元器件的能量无序度和发光效率，有效降低三元器件的总能量损失。

要点三：客体组分的匹配

有机半导体的吸收带本质上很窄，导致光收集不足。因此，第三组分应与主体二元混合存在互补吸收，以增加总的光吸收和光电流产生。如果第三组分的能级与二元体系不匹配，则载流子可能被捕获在活性层中。添加的第三组分应与主体二元混合物中的给体或受体具有良好的相容性，以形成优异的活性层形态。Q_x-p-C₇H₈O比Q_x-m-C₇H₈O具有更宽的吸收光谱。在D18-Cl:N3二元器件中掺入20 wt%的Q_x-p-C₇H₈O，可获得比其他器件更高的PCE(18.49%)。而基于Q_x-m-C₇H₈O的三元器件的PCE较低(17.17%)。与N3相比，Q_x-p-C₇H₈O和Q_x-m-C₇H₈O具有更高的LUMO水平，有机光伏器件都获得更高的VOC。由于互补的吸收和可调节的能级，JSC和VOC之间获得了良好的平衡。基于Q_x-p-C₇H₈O的三元器件表现出更有效的激子解离和电荷收集。与D18-Cl:N3二元器件相比，基于Q_x-p-C₇H₈O的三元器件具有更快和更平衡的电子和空穴迁移率。但基于Q_x-m-C₇H₈O的三元器件的电子迁移速度极慢。同时，基于Q_x-p-C₇H₈O的三元共混膜表现出适当的相分离，有利于电荷迁移。效率的提高主要是由于改进了光子收集，调节了能级，适当的相分离和最佳的结晶度。

Fine-tuning alkyl chains on quinoxaline non-fullerene acceptors enables high-efficiency ternary organic solar cells with optimizing molecular stacking and reducing energy loss

葛子义研究员简介: 中科院宁波材料研究员、博导，国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士、浙江省“能源光电子材料与器件”工程研究中心主任。1999年本科毕业于兰州大学化学系，2004年博士毕业于中科院化学所，2005年至2009年分别在日本东京工业大学、神奈川大学和澳大利亚新南维尔士大学从事有机光电研究。2009年受聘于华东理工大学教授，2010年加入中科院宁波材料所，担任有机光电材料与器件团队负责人、有机光电化学学科带头人，目前主要从事有机/钙钛矿太阳能电池和OLED研究。近年来在Nature Photonics、Chem. Soc. Rev.、Joule、Adv. Mater.、Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.、等期刊上发表SCI论文180余篇，申请发明专利50多项。撰写Springer出版社等中英文专著4部。先后主持包括国家重点研发计划项目、基金委联合基金重点项目、5项国家自然基金面上项目、中科院前沿重点项目等。荣获2016年“中国光学重要成果奖”、2018年度浙江省自然科学二等奖（排名第一）、2021宁波市十佳“科技追梦人”等奖励。担任Science China Chemistry、InfoMat、The Innovation、ES Energy & Environments、Energy Materials、《材料工程》、《中国激光》和《储能科学与技术》等期刊编委。兼任浙江省青年高层次人才协会常务理事、有机光电材料与器件国际会议（ICOOE）大会主席。

马伟教授简介：教授, 博导，全球高被引科学家，西安交通大学物理化学系主任。从事有机光电子材料形貌表征和同步辐射X射线散射技术开发。研究结果发表在Nature Energy, Joule, Nature Communication, Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy. Mater., 等专业期刊杂志上200余篇。以第一／(共同)通讯作者发表影响因子大于15文章60余篇。共35篇论文被选为ESI高被引论文(1％)，10篇被选为ESI“Hot paper”热点文章 (0.1%)。SCI引用18000余次，H因子60。主持国家重点研发计划项目课题一项，国家自然科学基金青年/面上项目各一项，参与国家自然科学重点项目一项。

郭赟彤，硕士就读于浙江工业大学，研究生期间在中科院宁波材料所葛子义课题组进行联合培养，主要研究方向是有机光伏材料与器件。