The Innovation | 双通道电荷传输：光伏转换新途径
导 读
“条条大路通罗马”——分子堆积对电荷传输至关重要。本工作通过侧链精细调控，首次在受体材料中发现了可高效电荷传输的双通道堆积。利用这一特性制备的有机太阳能电池（膜厚~100 nm）的填充因子高达80%（常规器件~70%）。即使电池器件的膜厚在~500 nm时，依然保持高的光电转换效率（~13%）；这对印刷有机太阳能电池的研究有重要指导意义。
有机太阳能电池（OSCs）因其柔性、质轻及可溶液法大面积制备等优点受到广泛关注。2015年以来新型非富勒烯受体的出现极大地推动了OSCs的发展。而绝大多数的高性能电池均是基于~100 nm厚的活性层。在面向应用的厚膜器件中，活性层增厚会导致严重地电荷复合损失，显著降低OSCs的填充因子和效率。本工作中，通过对受体的侧链进行微调控，改变了分子堆积方式，诱导产生了独特的双通道电荷传输（TCCT），提高了厚膜OSCs的电荷传输效率和光伏性能。
图1 图文摘要
作者基于其在非富勒烯受体新型侧链研究的基础上（Adv. Mater. 2019），进一步对烷基碳数（x=4,5,6）进行微调控（图2），以优化分子堆积和本体异质结（BHJ）形貌。研究发现，x=5和x=6时材料结晶性降低，造成吸收光谱蓝移。意外的是，IDIC-C5Ph具有最弱的薄膜结晶性和最宽的光学带隙。
图2 材料侧链调控与基本性质
尽管如此，单晶X射线衍射分析发现x=5时IDIC-C5Ph有区别于另外两个侧链截然不同的分子堆积方式。其诱导分子共轭主骨架产生两种正交的分子取向，分子排列呈现独特的网络结构，具有更多的π-π作用位点，可望实现高效的双通道电荷传输（TCCT）。
图3 单晶中分子堆积方式（烷基链隐藏）
针对x=5时IDIC-C5Ph材料展现出的弱薄膜态结晶性，科研人员通过多种后处理方式（热退火TA、热辅助溶剂退火TA-SVA）增强薄膜的结晶性。通过掠入射广角X-射线衍射（GIWAXS）发现三种材料对后处理方式具有不同的响应。对于IDIC-C5Ph而言，TA-SVA极大地增强了薄膜结晶性，诱导薄膜形成大量微晶（图4），吸收光谱红移。TA-SVA优化后基于IDIC-C5Ph的活性层中π-π堆积强度更高且堆积距离更小，有利于分子间电荷高效传输。
图4 不同处理后的薄膜GIWAXS图
光伏性能结果表明IDIC-C5Ph器件经TA-SVA处理后，填充因子（FF）高达80.02%，器件转换效率（PCE）达到14.56%。高达80%的FF也是常规OSCs器件中的最高值之一，反应了活性层内部良好的激子分离/电荷传输性能以及低的复合损失，大幅提高的FF归功于活性层内形成了具有TCCT的受体纳米晶。
图5 光伏性能
(A-C) J-V曲线；(D-F) FF值统计图；(G-I) EQE曲线。
考虑到TCCT特性在电荷传输及抑制复合方面的优势，构建了不同活性层厚度的系列光伏器件（图6）。常规单通道电荷传输IDIC-C4Ph器件，在膜厚105 nm时具有较高的FF（78.05%）和PCE，随着厚度增加，FF降低明显（300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65.26%）。但厚膜OSCs的FF和PCE仍然高于此前绝大多数报道的数据，反应了此类侧链结构（烷基侧链-芳香末端）在调控BHJ形貌方面的优势。更有意思的是，对于IDIC-C5Ph器件而言，在低膜厚115 nm时FF高达80.02%，随着膜厚增加，在307 nm时FF仍然高达75%，媲美大多数报道的低膜厚器件数据。在高达470 nm时，FF依然大于70%，PCE达到13%，体现了TCCT特性在厚膜OSCs研究中的优势。
图6 厚膜OSCs性能及对比研究
总结和展望
通过微调烷基碳数及合理的后处理，在受体材料中诱导形成了独特的双通道电荷传输（TCCT）特性。TCCT分子堆积可以更高效地传输电荷，并抑制电荷传输过程中的双分子消耗，提高OSCs的FF以及光电流，并在厚膜OSCs中展现出良好的应用前景。
延伸阅读
近年来，中科院青岛能源所包西昌研究员和李永海副研究员，在有机光伏器件形貌调控和器件稳定性及柔性方面取得系列进展。研究结果表明烷基侧链-芳香末端的结构设计可以很好的调控活性层材料的聚集特性1-2。在所有涉及体系的器件中均表现出改善的填充因子和效率；同时在三元器件中亦表现出优异的通用性。此外，发展的“网格限域”概念显著提升有机光伏器件的稳定性和柔性3。
1. Y. Li*, N. Zheng, L. Yu et al. 2019, 31, 1807832.
2. H. Jiang, C. Han, Y. Li* et al. Mater., 2020,30, 2007088.
3. J. Han, F. Bao, D. Huang et al. 2020, 30, 2003654.
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00015-1
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第一期将发表的Article文章“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics” (投稿: 2020-11-06；接收: 2021-02-01；在线刊出: 2021-02-06)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100090
引用格式：Li Y., Yu L., Chen L et al. (2021). Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics. The Innovation. 2(1),100090.
作者简介
包西昌，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，课题组长，中国科学院青年创新促进会2016年会员。研究方向主要包括光电材料与器件，纳米功能材料等。
E-mail: baoxc@qibebt.ac.cn
Web: http://afm.qibebt.ac.cn/kytd/tdfzr.htm
李永海，2014年博士毕业于中国科学院化学研究所张德清课题组。现为中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员，“清源学者”青年人才，2021年入选中国科学院青年创新促进会会员。主要研究领域为有机太阳能电池。
E-mail: liyh@qibebt.ac.cn
Web: https://publons.com/researcher/L-7091-2019/
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