王春儒团队采用小分子受体侧链工程实现活性层形貌调控及器件性能提升

中国科学院化学研究所王春儒研究员团队采用小分子受体侧链工程，改变受体溶解度以及给受体相互作用，实现活性层形貌的调控与器件性能的提升，发现在侧链长度为C8时，最高能量转换效率为12.28%。该研究为小分子受体设计过程中侧链的选择提供了参考。

有机太阳能电池能够将清洁无污染的光能转化为可直接利用的电能，并且具有成本低、质量轻、可大面积柔性制备等优点，受到商界与科研界的广泛关注。但是由于有机半导体介电常数低，形成的Frenkel激子寿命短，扩散距离仅为5-14 nm，因此，活性层中最为合适的给受体相区分离尺寸在30 nm以内，以保证激子在复合之前能够到达给受体界面，完成激子的解离。另外，活性层高相区纯度的活性层对器件性能也是至关重要的，高的相区纯度可有效促进载流子传输，抑制双分子复合。因此，理想的活性层形貌，即合适的相区尺寸与高的相区纯度，有利于实现高的短路电流密度与填充因子。

相比于传统的富勒烯受体材料，A-D-A小分子受体具有可见-近红外吸收强、能级易于调控、合成多样化等优点，成为有机光伏领域的研究热点，且推动了有机太阳能电池性能的提升。A-D-A小分子受体具有独特的结构特征，尤其是悬挂在分子平面外的侧链基团，既保证分子具有足够的溶解度，也抑制小分子受体的过度聚集。因此，通过小分子受体侧链工程，有望实现活性层形貌的有效调控。

最近，中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室王春儒研究员团队通过设计合成一系列具有不同侧链长度的小分子受体，系统研究了小分子受体侧链工程对活性层形貌以及器件性能的影响。

实验结果表明，随着侧链长度的延长，器件的短路电流密度与填充因子先提高后降低，在侧链长度为C8的时候，实现最高能量转换效率12.28%。光伏性能之所以呈现这种趋势，主要是由于通过侧链工程，实现了活性层形貌的有效调控。一方面，随着侧链长度的延长，小分子受体溶解度增加，能更好的进入给体相，从而减小相区尺寸，缩短激子扩散距离，并为激子解离提供更多的给受体界面。另一方面，随着侧链长度的延长，给受体相互作用参数逐渐减小，相区纯度逐渐降低，载流子复合逐渐加重。

该工作表明通过侧链工程可实现形貌的调控与器件性能的提升，同时也为小分子受体设计过程中侧链的选择提供重要参考。论文第一作者为赵富稳，通讯作者为马伟教授与王春儒研究员。

详细内容见：Fuwen Zhao, Dan He, Jingming Xin, Shuixing Dai, Han Xue, Li Jiang, Zhixiang Wei, Wei Ma, Xiaowei Zhan, Yongfang Li, Chunru Wang. Modulating morphology via side-chain engineering of fused ring electron acceptors for high performance organic solar cells. Sci. China Chem., 2019, DOI:10.1007/s11426-019-9453-7.

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赵富稳，博士，中科院化学所博士后，主要从事有机半导体材料设计和有机太阳电池器件性能研究。以第一作者以及通讯作者在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., J. Mater. Chem. A等杂志发表SCI论文11篇，其中热点论文2篇，ESI高被引3篇，2017年度中国百篇最具影响国际学术论文2篇。

马伟，西安交通大学教授，博士生导师，从事有机光电子材料（有机太阳能电池，场效应晶体管等）形貌表征和同步辐射X射线散射技术开发。在Nat. Energy, Joule, Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., 等专业期刊杂志上发表论文200余篇。以第一／(共同)通讯作者发表影响因子大于10文章50余篇。共35篇论文被选为ESI高被引论文(1％)，10篇被选为ESI热点文章(0.1%)。SCI引用12000余次，H因子48。

王春儒，中科院化学所研究员，博士生导师，中科院百人计划、国家杰出青年基金获得者，第二批国家“万人计划”科技创业领军人才，中国科学院大学岗位教授，北京大学深圳研究院特聘教授。现任中国科学院分子纳米结构与纳米技术重点实验室副主任。主要从事富勒烯和金属富勒烯材料方面的研究工作，在Nature，Science, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等杂志上发表文章200 多篇，同行引用6000 多次。

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