武漢理工王濤教授AM：高達19%！非富勒烯受體纖維化提升有機太陽能電池效率

一、【導讀】

有機太陽能電池（OSCs）由于其力學柔性、質輕和可溶液加工等優點，已顯示出作為清潔能源技術的巨大潛力。隨著研究人員在分子設計和器件工程方面的努力，OSCs的性能在過去幾年中得到了極大的改善，導致單結OSCs的光電轉換效率（PCE）超過19%。OSC的結構特點是電極和界面緩沖層夾著體異質結（BHJ）活性層，其中BHJ活性層包含了由供體和受體相分離所形成的互穿網絡。盡管體異質結活性層中供激子解離的供體/受體界面足夠多，但往往供體/受體相過度混合，從而阻礙器件運行過程中的電荷傳輸和收集，導致過高的電荷復合，阻止器件性能的進一步提升。非富勒烯受體（NFA）的結構有序性和聚集對其與電子供體所形成的光伏混合物的光吸收、相分離和電荷傳輸特性至關重要，并決定了相應電池器件的光電轉換效率（PCE）。

二、【成果掠影】

近日，武漢理工大學王濤教授課題證明了在稠環添加劑分子1-氟萘（FN）的幫助下小分子NFA L8-BO實現纖維化，從而大幅提高器件的電荷傳輸性能和光電轉換效率。分子動力學模擬表明，FN作為分子橋附著在L8-BO的骨架上，增強分子間堆積，誘導L8-BO一維自組裝成具有緊密多晶結構的細纖維。L8-BO纖維被整合到以D18為供體的贗本體異質結（P-BHJ）活性層中，顯示出增強的光吸收、電荷傳輸和收集性能，導致D18/L8-BO二元P-BHJ 器件的PCE從16.0%提高到前所未有的19.0%，填充因子（FF）高達80%。這項工作展示了一種纖維化電子受體提高器件性能的策略。研究成果以題為“Fibrillization of Non-Fullerene Acceptors Enables 19% Efficiency Pseudo-Bulk Heterojunction Organic Solar Cells”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

三、【核心創新點】

通過分子動力學模擬揭示了L8-BO纖維化的形成機制，并通過光誘導力顯微鏡對L8-BO和混合膜中 L8-BO纖維結構進行了表征。L8-BO的纖維使贗本體異質結有機太陽能電池的PCE達到19.0%，FF超過80%。

四、【論文掠影】

圖1、薄膜的形態表征 ?2022 Wiley

（a）L8-BO和各種溶劑的化學結構。

（b-c）CF、Tol和FN構筑的L8-BO膜的2D GIWAXS圖案。

（d-f）AFM的高度圖像。

（g-j）由不同溶劑構筑的L8-BO膜的2D GISAXS圖案，以及沿q_xy軸的相應的1D GISAXS圖案。

圖二、分子動力學模擬 ?2022 Wiley

（a）分子動力學模擬揭示了由三種不同二聚體（W1、W2和S）組成的L8-BO的分子堆積示意圖。

（b-c）在FN存在和不存在的情況下，各種L8-BO二聚體的構型和吸收能：（b）W1-1（在雙噻吩單元上吸收的FN）、（c）W1-2（在端基吸收的FN）、（d）S、（e）W2。

圖三、器件性能分析 ?2022 Wiley

（a）器件的J-V特性。

（b）基于D18:L8-BO（CF）BHJ、D18/L8-BO（CF）和D18/L8-BO（Tol+FN）P-BHJ的OSCs的EQE譜。

（c）平面外衍射圖。

（d-f）2D GIWAXS圖案。

（g-j）D18:L8-BO（CF）BHJ、D18/L8-BO（CF）和D18/L8-BO（Tol+FN）P-BHJ膜的2D GISAXS圖案，以及沿q_xy軸的相應1D GISAXS圖案。

圖四、形態學研究 ?2022 Wiley

（a-c, e-g, i-k）D18:L8-BO（CF）BHJ、D18/L8-BO（CF）和D18/L8-BO（Tol + FN）P-BHJ薄膜在1459 cm^-1觀察的D18、1532 cm^-1觀察的L8-BO以及重疊圖像的PiFM圖像。

（d, h, l）D18：L8-BO（CF）BHJ OSC、D18/L8-BO（CF）和D18/L8-BO（Tol + FN）P-BHJ OSCs沿垂直方向的示意圖。

五、【總結展望】

綜上所述，研究人員通過使用稠環分子添加劑FN來調節P-BHJ活性層中非富勒烯受體L8-BO的分子堆積，實現了精細的纖維狀電荷傳輸網絡。分子動力學模擬表明，FN附著在L8-BO的共軛骨架上，增加L8-BO骨架的堆積，并將L8-BO分子組裝成1D纖維，通過光誘導力顯微鏡證實，在純膜和D18的各種混合膜中都觀察到纖維狀結構。致密緊湊的L8-BO纖維導致增強的光吸收和電荷傳輸，其在陰極界面附近的富集有助于P-BHJ OSCs中更有效的電荷收集。使用更綠色的Tol+FN溶劑制備的D18/L8-BO P-BHJ器件獲得了19.0%的優異PCE和80%的FF，這是基于D18的二元OSC的最佳值。

文獻鏈接：Fibrillization of Non-Fullerene Acceptors Enables 19% Efficiency Pseudo-Bulk Heterojunction Organic Solar Cells (Adv. Mater., 2022, 2208211)