近日，中科院魏志祥等和西安交通大學(xué)馬偉等合作，設計并合成的可溶性有機小分子光伏材料，通過(guò)活性層形貌優(yōu)化，獲得了11.3%的光電轉換效率，這是目前文獻報道的可溶性有機小分子太陽(yáng)能電池的最高效率，也是有機太陽(yáng)能電池的最高效率之一。
有機太陽(yáng)能電池因為其具有原材料來(lái)源豐富、成本低廉、質(zhì)量輕、可通過(guò)印刷制備為大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，成為具有重要應用前景的太陽(yáng)能利用方式，近年來(lái)引起廣泛關(guān)注。在活性層材料中，相比于聚合物材料，可溶性有機小分子具有純度高、明確的分子結構和分子量等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前基于有機小分子太陽(yáng)能電池的效率依然需要進(jìn)一步提升，尤其是性能更為穩定的反向器件的最高能量轉換效率低于9%。
提高光電轉換效率的兩個(gè)主要途徑，一是通過(guò)分子設計調控能級結構，二是通過(guò)改善器件活性層形貌從而降低電荷復合，減少能量損失。魏志祥課題組通過(guò)改變可溶性小分子的端基受體中氟原子的個(gè)數，實(shí)現了這兩個(gè)方面的協(xié)同優(yōu)化。氟化端基有利于降低材料的HOMO能級和光學(xué)帶隙；同時(shí)可以降低與富勒烯受體的相容性和材料的表面能。研究表明，氟化端基誘導了材料在水平方向上多級次相尺寸的分布，即同時(shí)存在相純度高且利于電荷傳輸的大尺寸顆粒（約100nm）以及增加給受體界面面積且利于電荷分離的小尺寸顆粒（約15nm）。這種多級次相尺寸的分布使電荷分離和傳輸更趨于平衡，減少了電荷的復合，從而減少能量損失。在垂直方向上，氟化端基提高了表面給體材料的富集程度，在正極表面形成了電子阻擋層，進(jìn)一步減少了能量損失，從而實(shí)現了器件效率的提升。
圖：不同氟原子取代的分子結構、活性層形貌示意圖和器件性能曲線(xiàn)
基于此，該課題組提出了反向器件活性層的理想形貌模型，在水平上形成多尺度納米組裝結構，在垂直方向上形成有利于電荷收集的垂直相分布。該工作深入闡述了高效光伏材料的分子設計、形貌調控和器件性能之間的內在關(guān)系，對高效率有機光伏材料的設計具有重要借鑒意義。
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