魏志祥课题组Nat. Commun.: 二元非富勒烯有机太阳能电池

文章亮点

1. 设计并合成了两个小分子受体Qx-1和Qx-2。计算和实验结果表明，这两个受体在光电转换过程中的重组能明显小于Y6受体，有利于提高激子寿命和扩散长度，促进电荷传输，抑制电荷复合。

2. Qx-1和Qx-2体系的能量损失分别显著降低了0.508 eV和0.482 eV，使两种（PM6作为聚合物给体）共混异质结的VOC达到0.9 V以上。PM6：Qx-2体系的VOC高达0.934 V，JSC为26.5 mA cm−2，填充因子(FF)为73.7%，PCE高达18.2%。

3. 在迄今为止报告的PCE超过17%的二元OSCs体系中，PM6：Qx-2体系的能量损失是最小的。

背景介绍

近年来，有机太阳能电池（OSCs）因其重量轻、可溶液加工、半透明以及柔性等优点而受到广泛关注。

目前，大多数高性能OSCs的开路电压（VOC）仍被限制在0.8-0.9 V，能量损失普遍大于0.5 eV。因此，为了进一步提高OSCs的效率，有必要深入了解能量损失的来源，然后通过合理的分子设计进一步降低能量损失。

通常，OSCs中的能量损失主要来自两个方面：激子解离的驱动力和非辐射复合。目前已经提出了许多减少能量损失的策略：通过调节分子堆积来降低激子结合能，这将最小化激子解离所需的驱动力；或者通过抑制光电转换过程中的非辐射复合，例如激子衰减、电荷转移 (CT) 状态衰减和非成对（双分子）复合。

这些非辐射复合都与电子-振动耦合有关（即重组能λ，它描述了电子转移过程中分子几何形状的变形，反映了电子与分子内振动之间的相互作用）。小的重组能有助于降低激子解离所需的驱动力。因此，重组能在OSCs的光电转换和能量损失过程中起着至关重要的作用。

图文速读

图1 Qx-1和Qx-2的分子设计和光电表征。

（a）Y6、Qx-1和Qx-2受体的化学结构。

（b）相关材料的能级图。

（c）紫外-可见吸收(abs.)以及溶液中受体的光致发光(PL)光谱。

（d）紫外-可见吸收（abs.）以及薄膜中受体的光致发光(PL)光谱。

（e,f） Qx-1和Qx-2在单晶结构中的分子堆积模式。

图2 Y6、Qx-1和Qx-2受体的重组能。

（a）以受体为例，在光电转换过程中，基态（S0）、最低单线态激发态（S1）和阴离子态之间的相关跃迁的示意图。

（b）在ωB97XD/6-31G(d,p)水平上，计算调整的ω值，在Y6、Qx-1和Qx-2受体中不同电子态之间的相互跃迁的重组能。

（c-f）各振动模式对Y6和Qx-2的S1→S0和阴离子→S0跃迁的重组能的贡献。插入用圆(约1625 cm−1)和正方形(约1498 cm−1)标记的振动正态的位移向量的说明。位移矢量的长度代表振动强度的大小。

图3 以PM6为给体的Qx-1、Qx-2、Y6的光伏性能和能量损失。

（a）传统的器件体系结构。

（b）对30件器件的最佳PCE的统计分布。

（c）电流密度-电压（J-V）曲线。

（d）由最优器件的EQE谱得到的外部量子效率(EQE)和集成电流密度。

（e）能量损失的统计图。

（f）PCE对各种系统能量损失的对比图。

图4 形貌，激子和电荷动力学。

（a-f）GIWAXS表征；

（g）整齐薄膜中给体和受体的时间分辨率光致发光(TRPL）光谱；

（h）在630 nm左右探测PM6基态漂白(GSB)的瞬态动力学痕迹。

结论与展望

在这项工作中，作者合成了两个体积更大、刚性更高的Qx受体Qx-1和Qx-2作为中心核。作者观察到，通过抑制两种受体中C-C键拉伸的分子振动，发现与传统的Y6受体相比，光电转换过程中的重组能显著降低。因此，由激子解离和非辐射复合引起的能量损失已大大降低。

此外，薄膜形貌、激子和电荷动力学结果证明，具有较小重组能的Qx-1和Qx-2受体具有更好的聚集模式、更好的激子寿命和更长的扩散长度，有助于在相应的 OSCs中有效产生电荷。因此，PM6:Qx-1 混合物的PCE为17.9%，能量损失为 0.508 eV，而PM6:Qx-2系统的PCE高达18.2%，能量损失为0.482 eV，显著优于Y6。

这项工作强调了重组能对于在有机活性材料中实现小能量损失的重要性，从而为OSCs的高性能提供了一种策略。