英文原题：Achieving an Efficient and Stable Morphology in Organic Solar Cells Via Fine-tuning the Side Chains of Small-Molecule Acceptors
通讯作者：陈永胜，南开大学
作者：Meijia Chang, Lingxian Meng, Yunchuang Wang, Xin Ke, Yuan-Qiu-Qiang Yi, Nan Zheng, Wenyu Zheng, Zengqi Xie, Mingtao Zhang, Yuanping Yi, Hongtao Zhang, Xiangjian Wan, Chenxi Li and Yongsheng Chen
近期，有机太阳能电池的能量转化效率取得了快速的突破，在实际应用中展现出巨大的潜力。但是要真正实现有机太阳能的商业化应用，需要同时具有高性能和高稳定性。其中，基于受体-给体-受体（A-D-A）型结构的有机光伏材料的在近期高效的材料中占据着重要地位，同时，活性层的形貌控制和优化是影响光伏器件稳定性的决定性因素。而形貌的聚集态与其活性层材料的化学结构息息相关，因此，探究活性层材料化学结构与形貌之间的关系，对构筑高效高稳定性光伏器件具有重要的意义。
图1. 动力学态、高效态和稳定态关系示意图。
近日，南开大学陈永胜教授课题组将活性层形貌的聚集态进行区分并定义为三种状态，即器件制备过程获得的活性层形貌为动力学态（Kinetic State），器件获得最高能量转化效率的活性层形貌聚集态为高效态（Efficient State），活性层中分子堆积处于热力学稳定的形貌聚集态为稳定态（Stable State），想要同时获得高效高稳定性的光伏器件，则其活性层形貌的聚集态需三者合一（图1）。作者通过对上述A-D-A型受体材料结构中烷基链的长度和空间位阻进行优化，发现烷基链可以有效调控活性层形貌的聚集态，实现形貌动力学态、高效态和稳定态三合一，从而获得了同时具有高效率和高稳定性的光伏器件，该研究为设计合成同时具有高效高稳定性的光伏材料提供了新的策略。
图2. 小分子受体材料化学结构及光伏器件性能与稳定性。
研究工作中，基于异辛基的受体分子UF-EH-2F（图2）的活性层形貌达到三态合一，光伏器件同时获得了最高的能量转化效率（PCE = 13.56%）和最优的器件稳定性（储存1368 h后效率仅降低5%）。作者详细地对比了基于不同受体分子的活性层形貌中分子堆积性质、以及在光照和加热后形貌聚集态的前后变化，揭示了受体分子烷基链与活性层形貌聚集态之间的重要联系。通过GIWAXS，光谱吸收和器件电荷传输性质等数据（表1及图2）的研究表明，优化受体分子的烷基链，可以有效调控活性层形貌的聚集态，使分子堆积更加紧密和有序，实现活性层形貌的动力学态、高效态和稳定态三合一，从而同时获得高效率高稳定性的光伏器件。
表1. 共混膜及其老化后GIWAXS参数比较。
图3. (a-c) 光照条件下基于UF-C8-2F，UF-EH-2F和UF-C2C5-2F共混膜紫外光谱随时间的变化；(d-f) 基于UF-C8-2F，UF-EH-2F和UF-C2C5-2F的器件及其老化后的Jph-Veff对比曲线。
这一成果近期发表在Chem. Mater.上，南开大学博士研究生常美佳和孟令贤为文章的共同第一作者，陈永胜教授为通讯作者。
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Achieving an Efficient and Stable Morphology in Organic Solar Cells Via Fine-Tuning the Side Chains of Small-Molecule Acceptors
Meijia Chang, Lingxian Meng, Yunchuang Wang, Xin Ke, Yuan-Qiu-Qiang Yi, Nan Zheng, Wenyu Zheng, Zengqi Xie, Mingtao Zhang, Yuanping Yi, Hongtao Zhang, Xiangjian Wan, Chenxi Li, Yongsheng Chen*
Chem. Mater., 2020, 32, 2593-2604, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c00097
Publication Date: March 4, 2020
Copyright © 2020 American Chemical Society
（本稿件来自ACS Publications）
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