孙艳明&刘烽Nat. Energy: 18.32%, 单结有机太阳能电池的新纪录！

能源问题是世界各个国家和地区共同关注的焦点问题之一。太阳能是一类取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源。研究发现一年的太阳能辐射总能量高达1.5 ×1018 KWh，即1 h的太能辐射就可以满足人类一年的能量需求。因此，在化石能源日渐枯竭的今天，如何将太阳能高效转化成能够直接使用的能源是解决能源危机的最有效途径之一。太阳能电池是目前最好的太阳能利用元件，活性层材料为有机半导体的有机太阳能电池因具备重量轻、可溶液加工、柔性、低成本和采用卷对卷印刷实现大面积均匀涂布等诸多优点，引起了人们的广泛关注。

图1. 有机太阳能电池的J-V特性曲线

近年来，基于非富勒烯小分子受体有机太阳能电池的研究日益深入，器件的能量转化效率（power conversion efficiency, PCE）也得到了长足的发展。数值上能量转化效率与器件的开路电压（open-circuit voltage, Voc）、短路电流（short-circuit current density, Jsc）以及填充因子（fill factor, FF）三者的乘积成正比。目前单节有机太阳能电池器件的转化效率已经超过了18%。

然而，和无机硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池相比，有机太阳能电池表现出的较大能量损失（energy loss, Eloss）和较低的填充因子，这无疑限制了器件效率的进一步提升。而能量损失以及填充因子与材料的电子结构、聚集态结构以及形貌等密切相关，连续且精细的调控能级可以有效提高开路电压，同时理想的形貌有助于电荷传输，从而实现大于75%的填充因子。

因此，深入理解材料的化学结构、聚集态结构、形貌和器件性能之间的关系，开发新型有机光伏材料，进而制备出兼具高效率、低电压损失和高填充因子的有机太阳能电池，是目前科研人员一直关注和致力于解决的关键科学问题。

2021年5月10日，北京航空航天大学化学学院孙艳明教授联手上海交通大学刘烽教授，在国际著名期刊《Nature Energy》（IF = 46.495）上刊发了他们在有机太阳能电池领域的最新研究成果。在该工作中，采用传统的支化侧链取代策略，对非富勒烯小分子受体Y6骨架进行结构优化，在分子骨架噻吩β位引入不同长度的烷基侧链，制备出了L8-R系列非富勒烯受体分子。

研究发现，不同长度的烷基链取代可以改变非富勒烯受体分子的堆积行为，从而优化薄膜有序性并改善电荷传输，制备的单节有机太阳能电池的器件效率最高达18.32%（认证值：17.9%）、能量损失为0.55 V以及填充因子为81.5%。该工作揭示了支化侧链拓扑结构在优化分子堆积和薄膜形貌以及提升器件性能等方面的重要性，为进一步设计与合成高性能非富勒烯受体分子提供了新的思路。

论文解读

图2. Y6以及L8-R系列分子的化学结构、光物理性质以及光伏性能

相比Y6，L8-R系列分子表现出吸收光谱蓝移、带隙降低、LUMO能级提升等性质。制备的有机太阳能电池器件，L8-BO展现出18.32%的最高能量转化效率，Voc = 0.874 V, Jsc= 25.721 mA cm–2, FF = 81.5%。迄今为止，18.32%是单节有机太阳能电池的最高转化效率。

图3. Y6以及L8-R系列分子的晶体结构和分子堆积性质

不同烷基侧链取代并没有改变Y6以及L8-R系列分子的三维网络堆积结构，但是却导致了不同的堆积孔洞尺寸，L8-R系列分子的堆积系数与π–π堆积距离均获得提升，这表明L8-R系列分子存在更为密集的分子组装，这更有利于电荷传输。

图4. 能量损失分析

根据方程Eloss = Egap–qVoc，Y6 : PM6的Eloss为0.56 V，L8-BO : PM6的Eloss为0.55 V，L8-HD : PM6的Eloss为0.55 V，L8-OD : PM6的Eloss为0.53 V。L8-R系列非富勒烯受体分子的Eloss是目前高效有机太阳能电池最低损耗之一。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-021-00820-x