有機太陽能電池（OSCs）由于具有輕量化、柔性、可溶液法大面積制備等優(yōu)點，成為光伏領(lǐng)域的重要研究方向，特別是2015年新型非富勒烯受體的出現(xiàn)，極大地推動了OSCs的發(fā)展，然而目前報道的絕大多數(shù)的高性能電池均是基于~100 nm的捕光層材料。但在面向應(yīng)用的大面積器件的印刷制備中，OSCs捕光層厚度是一個繞不開的課題：首先隨著膜厚的增加，捕光層內(nèi)電荷的復(fù)合損失顯著增加，電池效率迅速下降；其次較薄膜厚的印刷制備會對設(shè)備和工藝的要求極為苛刻。因此，發(fā)展新方法開發(fā)具有膜厚敏感低的有機光伏材料對于OSCs的印刷制備及應(yīng)用具有重要意義。
圖1 有機分子雙通道堆積及厚膜器件應(yīng)用
最近，青島能源所先進有機功能材料與器件研究組在前期非富勒烯受體的新型側(cè)鏈工程研究基礎(chǔ)上（Adv. Mater., 2019, 31, 1807832; Adv. Funct. Mater., 2020,30, 2007088等），進一步系統(tǒng)研究并深入揭示了烷基側(cè)鏈的影響，實現(xiàn)了對分子堆積、捕光層形貌及電荷傳輸更為精細(xì)的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)側(cè)鏈烷基碳數(shù)細(xì)微調(diào)控對共軛材料分子堆積方式展現(xiàn)出截然不同的影響，在側(cè)鏈碳數(shù)為5時的IDIC-C5Ph受體中存在奇特的分子堆積，我們首次提出了雙通道電荷傳輸（TCCT）概念，可實現(xiàn)了電荷更為高效的傳輸與提取。光伏性能結(jié)果表明，IDIC-C5Ph基器件最優(yōu)條件下的填充因子（FF）可高達(dá)80.02%，是常規(guī)有機光伏器件中的最高值之一?？紤]到TCCT特性在電荷傳輸及抑制復(fù)合方面的優(yōu)勢，IDIC-C5Ph基器件隨著膜厚增加到307 nm時FF仍然高達(dá)75%，媲美大多數(shù)報道的低膜厚器件數(shù)據(jù)；進一步增加到470 nm時，F(xiàn)F依然大于70%，PCE達(dá)到13%。與之對比，常規(guī)單通道電荷傳輸?shù)腎DIC-C4Ph器件，最優(yōu)膜厚105 nm時具有較高的FF（78.05%）和轉(zhuǎn)換效率，但隨著厚度增加FF明顯降低（300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65%）。這些結(jié)果表明側(cè)鏈誘導(dǎo)的TCCT特性賦予電池低的膜厚敏感性，對大面積電池印刷制備具有重要推動意義。
相關(guān)研究成果以“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics”為題目發(fā)表在The Innovation期刊上（期刊由中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會與Cell Press共同創(chuàng)辦的綜合性英文學(xué)術(shù)期刊，領(lǐng)域覆蓋全部自然科學(xué)，旨在向科學(xué)界展示鼓舞人心的跨學(xué)科發(fā)現(xiàn)）。論文第一作者為李永海副研究員，通訊作者包西昌研究員、陽仁強研究員等人。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、兩所融合基金等項目的大力支持。（文/圖 李永海 包西昌）
論文鏈接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00015-1#
