得益于非富勒烯小分子受体（SMAs）材料的研究，有机太阳能电池（OSCs）在近三年内发展迅速。本体异质结（BHJ）活性层捕获太阳光子后，光生激子的解离、传输以及复合等物理过程都将依托于活性层进行。因此，BHJ的微结构将会极大地影响OSCs对太阳光子的利用效率以及最终的能量转换效率（PCE）。
对于SMAs分子，A-D-A型主骨架的性质对调控材料的分子轨道能级和吸收光谱起到重要作用，这也是迄今研究最多的方向。相比于主骨架研究的丰硕成果，侧链的探究较少。目前采用的侧链结构主要为烷基侧链（正己基）和芳香侧链（苯基）。然而这两种经典的侧链均有其鲜明的优缺点。规整的烷基侧链可以增强材料的结晶性与分子聚集，提高电子迁移率。然而强的分子自聚集性诱导BHJ产生较大尺寸的相分离，增加激子在传输过程中的复合几率。对于芳香侧链受体，由于大位阻的芳香环直接键连于主骨架，有效降低了分子间H-聚集体的形成，削弱了材料的自聚集倾向，增强了与大多数给体材料的可共混性。但是受体分子间的π-π堆积距离扩大，不可避免地弱化了材料的结晶性和迁移率。因此，这两种传统侧链在材料的结晶性和共混性之间存在相互掣肘的矛盾。
最近，中科院青岛生物能源与过程研究所的阳仁强研究员团队发展了一种新颖的侧链工程，为解决上述问题提供了很好的研究思路。他们通过适度削弱材料结晶性的方法改善给受体的共混性，取得了二者之间的微妙平衡。设计思路上，他们将规整的烷基侧链（-C4H8-）保留在分子主骨架上，确保材料具有优良的结晶性、电荷传输能力和吸收光谱特性；进一步地，将大位阻的芳香基团（Ph）键连到烷基侧链的末端，借助于分子外围位阻基团的扰动，有节制地适度削弱受体材料的结晶性和自聚集能力，以达到改善BHJ微结构的目的（图1）。并且，由于大位阻的芳基被推离主骨架，对分子间相互作用力的破坏较小，新型受体IDIC-C4Ph仍然保留着与传统烷基侧链IDIC几乎一致的吸收光谱行为。
图1. 受体设计思路和分子结构、材料的2D-GIWAXS图
以经典聚合物PBDB-T为给体材料，IDIC-C4Ph的OSCs表现出更高的光伏效率11.50%，优于传统侧链受体IDIC-PhC6（6.14%）和IDIC（10.41%）。更重要的是，得益于给受体共混膜更有利的形貌和更有序的分子堆积方式（图2），PBDB-T: IDIC-C4Ph器件的填充因子FF非常高（77.42%），远优于IDIC-PhC6（57.90%）和IDIC（73.60%）器件的FF值。众所周知，OSCs的三个参数中开路电压VOC和短路电流密度JSC的调控相对容易实现，但是FF值的调控难以有效把握，而FF值直接反应了活性层BHJ微结构的质量。进一步地，以低HOMO能级的PBDB-TF为给体材料，OSCs的VOC进一步提高。PBDB-TF: IDIC-C4Ph器件在无需后处理的前提下PCE达到13.23%，经过快速退火后，性能进一步提升，PCE达到14.04%，FF值非常优异，达到78.32%，进一步验证了这种新颖侧链在非富勒烯受体分子设计上的优越性。
图2. PBDB-T: acceptor共混膜的GIWAXS图和TEM图
因此，通过这种烷基侧链-苯基末端的新型侧链类型，可以适度削弱小分子受体的结晶性，打破分子间强的自聚集性，从而有效改善活性层内BHJ的形貌和分子堆积方式（图3）。在后续的工作中，如果能够将此设计思路应用到其他大环主骨架体系中，将会进一步提高电池的光伏效率，从侧链工程角度推动非富勒烯OSCs的发展。
图3. 受体分子和给受体共混膜堆积示意图
这一成果近期发表在Advanced Materials上，文章的第一作者是中科院青岛生物能源与过程研究所的李永海副研究员，通讯作者为阳仁强研究员和李永海副研究员。该工作得到科技部、国家自然科学基金委、青岛能源所-大连化物所两所融合项目等基金的大力支持。
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A Simple Phenyl Group Introduced at the Tail of Alkyl Side Chains of Small Molecular Acceptors: New Strategy to Balance the Crystallinity of Acceptors and Miscibility of Bulk Heterojunction Enabling Highly Efficient Organic Solar Cells
Yonghai Li, Nan Zheng, Lu Yu, Shuguang Wen, Chenglin Gao, Mingliang Sun, Renqiang Yang
Adv. Mater., 2019, 31, 1807832, DOI: 10.1002/adma.201807832
阳仁强研究员简介
阳仁强，中科院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师，中科院“百人计划”。2004年博士毕业于华南理工大学，师从曹镛院士；2004-2009年在美国加州大学圣塔芭芭拉分校工作，2009年开始就职于中科院青岛生物能源与过程研究所。
阳仁强研究员的研究领域包括有机光电材料的分子设计和合成，有机高分子太阳能电池器件制备和性能研究，有机多孔吸附材料，新型电荧光生物传感器和生物逻辑门的开发等。近五年来在Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Energy等学术期刊上发表 1 区论文90余篇。
李永海博士简介
李永海，中科院青岛生物能源与过程研究所副研究员，硕士生导师。2005年本科毕业于山东大学，2009年博士毕业于中科院化学研究所有机固体实验室张德清研究员课题组。2014年加入中科院青岛生物能源与过程研究所工作。
李永海博士的研究领域包括面向有机场效应晶体管、有机太阳能电池等领域的有机半导体材料和光电器件的研究，并渴求发现有机分子结构与器件性能之间的内在逻辑关系。近五年来在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Chem. Mater.等学术期刊上发表论文38篇。
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