EES全小分子有机太阳能电池 16.4%效率

文章亮点

1. 在小分子给体中引入硅氧烷，构建了两个具有低表面张力的小分子给体(ZR-SiO和ZR-SiO-EH)。基于给体和受体表面张力的差异(Y6)，通过调节分子间相容性，在共混体系中获得了合适的纳米级相分离形貌，从而有效地提高了相应的全小分子有机太阳能电池（ASM-OSCs）的光伏性能。

2. 特别是ZRSiO-EH：Y6体系表现出纳米尺度的双连续互穿网络，具有较小的畴尺寸和面对面的分子堆积，保证了即使在混合区域也能实现有效的激子解离和电荷传输。

3. 此外，有序的分子取向、优化的形貌和减少的给体和受体之间的能量抵消，将非辐射能量损失降低到0.2 eV，实现了ASM-OSC的0.87 V的高开路电压。结果表明，基于ZR-SiO-EH：Y6的器件具有16.4%的高功率转换效率。

4. 这些结果表明，通过硅氧烷调节分子间相容性以获得有序的相分离形态，为设计高性能的ASM-OSCs提供了一种有效的方法。

背景介绍

经过对有机太阳能电池（OSCs）二十年的深入研究，研究人员开发出了一些相关的材料系统，促进了有机光伏领域的快速发展。与此同时，OSCs的商业生产和应用也越来越接近现实。

对于有机半导体的大规模生产，降低生产成本，避免不同批次材料之间的差异已成为人们关注的焦点。与聚合物相比，小分子凭借其固有的结构优势，可以更有效地处理生产过程中的这些实际问题。然而，全小分子OSCs(ASM-OSCs)的性能仍然落后于聚合物基体系。这种差距主要归因于全小分子活性层很难形成类似于聚合物基体系的给体/受体的互穿网络形态。

在有机半导体材料的各种物理和化学特性中，表面张力无疑是影响给体和受体相容性的最直接的因素。相容性是体异质结相分离的重要驱动力。因此，是否可以通过调节小分子给体/受体的表面张力来控制ASM-OSCs体系的相分离是值得讨论的。

由于硅氧烷的疏水性，其可以降低聚硅氧烷的表面张力。尽管目前一些工作将硅氧烷引入到有机光伏体系中，但这些工作主要集中在聚合物供体和非富勒烯受体（NFAs）上。因此，将硅氧烷引入小分子给体，实现NFAs表面张力的差异，进而研究该方法对ASM-OSCs体系相分离和相形貌控制的影响，是值得深入探索的。

图文速读

图1　

(a) ZR-C8、ZR-SiO和ZR-SiO-EH的化学结构和对应的退火下纯膜的2D GIWAXs；

(b)溶液和

(c)薄膜态中给体的紫外-可见吸收光谱；用循环伏安法测量的

(d)三个给体和Y6的能量图。

图2

(a) ZRC8、ZR-SiO、ZR-SiO-EH和Y6纯膜的水滴（左）和二碘甲烷（右）的接触角；

(b) DSC曲线。

图3

(a)密度-电压(J-V)曲线；

(b)最优器件对应的外量子效率(EQE)谱；

(c)光电流密度(Jph)依赖于有效电压(Veff)；

(d)JSC和

(e)VOC与优化器件光强度的自然对数；

(f)最优器件的瞬态光电压(TPV)；

(g)三个系统在吸收开始时的FTPS-EQE及其计算出的Urbach能量；

(h)不同注入电流下最优混合膜的EL量子效率；

(i)能量损失统计图。

图4

不同角度的

(a)ZR-C8：Y6、

(b)ZR-SiO：Y6和

(c)ZR-SiO-EH：Y6的GIWAXs；

(d-f)相应混合膜的AFM-IR图像(在1580 cm−1的波数下测量，与Y6相比，这是所有三个小分子给体的特征吸收峰)。

图 5

在(a-c)刮涂和

(d-f)优化条件下的TEM图像；

(g)优化共混膜的R-SoXS；

(h)ZR-C8：Y6和

(i)ZR-SiO-EH：Y6的部分形貌示意图（~200 nm）（红色和蓝色小模块分别代表给体和受体）。

结论与展望

综上所述，作者团队设计并合成了一组含硅氧烷的小分子给体。硅氧烷的引入可以有效地降低给体材料的表面张力，调节给体与NFA之间的相容性，从而为这些小分子之间的相分离提供了驱动力。有效的相分离结构有助于形成给体和受体材料的纯聚集域，为有效的电荷分离和传输构建独立的通道。

作者还发现，在保持低表面张力的同时，通过进一步优化分子结构，可以将小分子给体的堆积模式调节为NFA的堆积模式，可以使给体和受体在纯相区域之外的混合相区域进行有效的电荷传输，即使畴纯度降低。此外，硅氧烷的引入也可以有效地减少非辐射能量损失，进一步优化分子堆积和形态可以将ZR-SiOEH：Y6的非辐射能量损失降低到0.2 eV，实现ASM-OSC的0.87 V的高VOC和16.4%的PCE。

该工作对硅氧烷基小分子给体的研究为ASM-OSCs的相分离和相形态的调控提供了一个理想的模型。作者希望这项工作能激发相关领域的研究热情，并在未来在ASM-OSCs的性能上取得一系列突破。