1.前言

作為一種前景巨大的新型環保能源，有機太陽能電池（OSC）憑藉其高度靈活性、輕重量、溶液化處理以及可高通量製備等優點受到了廣泛關注。與富勒烯衍生物相比，非富勒烯受體（NFA）結構可調，可以實現寬範圍的吸收和合適的能級排列，因此在提高OSC的光電轉換效率（PCE）方面具有重要意義。目前為止，OSC中最具挑戰性的問題之一仍然是如何使活性層更接近於理想形態，即要求給受體材料在共混膜中形成雙連續、互穿的網狀結構。

越來越多研究證明，烷基鏈的取代位置、長度、支點和雜原子，能夠透過改變相關材料的層狀堆積來調整給受體混合物的形態。值得注意的是，關於烷基鏈空間取向的研究卻很少，為了控制烷基鏈的空間取向，全小分子OSC（ASM-OSC）不失為一種理想的選擇，主要是因為小分子具有特定化的幾何結構和形狀。相反，由於主鏈和側鏈在共混物中的交纏，導致聚合物中烷基鏈的堆積特徵很難區分。然而，目前ASM-OSC的效能仍然落後於聚合物OSC。

圖1:三種新型不同NFA分子的結構示意圖

2.簡介

為了解決上述相關問題，上海交通大學鍾洪亮特別研究員課題組在之前的工作中報道了一種新型NFA，即anti-PDFC，當其與聚合物給體PM6混合時，最終獲得了高達81.3%的填充因子（FF）。anti-PDFC分子的主鏈結構呈平面型，而兩種烷基鏈則在空間上相互垂直。近日，該課題組又新設計合成了兩種NFA：syn-PDFC和PDFC-Ph，揭示了各種側鏈對ASM-OSC光伏效能的影響。其中，anti-PDFC和syn-PDFC的端基呈順反異構，而烷基鏈則完全相同。結果顯示，空間正交的側鏈能夠形成兩種相互垂直的層狀堆積，這使得純膜或共混膜具有優異的結晶效能。此外，PDFC-Ph與anti-PDFC具有相同的主鏈，唯一的區別在於辛基鏈被苯基-己基側鏈取代，然而最終分子卻呈現出一種無定形結構。

圖2:不同NFA分子的純膜形貌表徵

隨後，他們將這三種新型NFA作為第三組分引入到基於BTR-Cl:Y6的高效二元體系中。研究發現，PDFC-Ph的引入對BTR-Cl:Y6的效能並未有顯著改善。相反，anti-PDFC和syn-PDFC不僅能夠形成自己的晶相，而且有利於BTR-Cl的有序堆積，從而提高載流子遷移率，抑制電荷複合，進一步改善三元ASM-OSC中的FF和PCE。此外，anti-PDFC也適用於其它體系中。在基於Y6:anti-PDFC:PC71BM的三元器件中，最終獲得了高達15.14%的PCE，開路電壓（VOC）為0.836 V，短路電流密度（JSC）為24.79 mA cm-2，FF為73.1%。改進的JSC和FF表明PC71BM不僅在較寬範圍內提供了互補吸收，而且其球形結構可以最佳化器件相形貌。事實上，經過研究人員的最佳化後，該器件的PCE可進一步提高到15.67%，是迄今為止ASM-OSC的最佳效率之一。

圖3:不同器件的光伏效能比較

3.總結

綜上，該工作揭示了相互垂直的烷基鏈能夠形成多維的層狀堆積，同時π-π堆積的骨架結構可以調整共混膜的形態，進而有利於高效能ASM-OSC的發展。相關研究成果現已發表在《Advanced Functional Materials》上，題為“Spatially Orthogonal 2D Sidechains Optimize Morphology in All-Small-Molecule Organic Solar Cells”。

4.文中所涉及材料

Y6 2304444-49-1

PC71BM 609771-63-3

BTR-Cl 2410661-17-3

PDI-2Br 1309387-23-2

文獻連結：

https://doi.org/10.1002/adfm.202100750