武汉理工大学王涛教授团队：非富勒烯电子受体溶液预聚集策略制备高效率赝本体异质结有机太阳能电池

中国科学：化学中国科学化学 2022-06-22

武汉理工大学王涛教授团队和中科院化学所侯剑辉研究员团队合作，通过溶液调控上层非富勒烯电子受体的预聚集体，构筑了理想的赝本体异质结构吸光层，显著提升了器件效率，为有机太阳能电池的发展提供了新的研究思路。

有机太阳能电池（OSCs）因其光电性能可调控性强、可通过溶液法实现大面积制备、以及可实现半透明等优势而备受关注。随着新材料合成、活性层形貌调控、界面工程以及器件结构等方面的持续性研究，特别是非富勒烯受体（NFAs）的成功开发，有机太阳能电池的光伏转换效率得以不断提高。

在非富勒烯有机太阳能电池体系中，电子给体和受体材料组成器件的光活性层，它们在光活性层中的分子有序性和聚集态是影响光电转换效率的关键。目前通常采用将给体和受体材料共混在同一溶液中涂膜来得到本体异质结（BHJ）结构的器件，这种方法可为电荷分离提供足够的给/受体界面，实现高效率器件制备，但同时也会带来较为严重的电荷复合，限制器件效率的进一步提高。赝本体异质结有机太阳能电池（Pseudo-BHJ OSCs）通过逐层涂膜制备，上层可以渗透致下层形成本体异质结构，但表界面处则有给受体相富集，有利于载流子高效注入电荷传输层，减少电荷复合，提高器件效率。

武汉理工大学王涛教授等人开发了非富勒烯电子受体溶液预聚集体调控策略，在逐层涂膜的过程中实现了上层非富勒烯受体向下层D18纤维网络给体层的有效渗透和聚集，形成了中间为本体异质结、表界面给受体富集的理想赝本体异质结构吸光层，显著提高了器件效率。

该工作所采用的聚合物电子给体D18经溶液成膜后可自组装形成纳米纤维，与非富勒烯电子受体BTP-eC11和N3组成光伏体系，采取共涂膜法制备传统的BHJ OSCs器件的光伏转换效率分别为16.6%和17.0%。采取逐层涂膜法制备Pseudo-BHJ OSCs时，BTP-eC11和N3若未经过预聚集体调控，Pseudo-BHJ OSCs的光伏转换效率未见提高。该研究分别采用在近临界溶液中静置和向良溶剂中加入反溶剂的策略来诱导非富勒烯电子受体BTP-eC11和N3预先在溶液中形成紧密堆叠的纳米尺度聚集体，再通过逐层涂膜法使NFAs预聚体渗透进入D18纤维网络中并聚集形成连续相。基于溶液预聚集制备的Pseudo-BHJOSCs光伏转换效率分别被提高至17.7%和17.5%。本研究表明，预聚集体调控策略是一种调节受体分子扩散和聚集的有效方法，可实现高效率赝本体异质结有机太阳能电池的制备。

图1 (a) D18, (b) D18 (SVA), (c) BTP-eC11 (CF), (d)BTP-eC11 (Tol-40), (e) N3 (CF), (f) N3 (CF/Tol, 99/1) 薄膜的TEM和(g) D18, (h) D18 (SVA), (i) BTP-eC11 (CF), (j) BTP-eC11 (Tol-40), (k) N3 (CF), (l) N3 (CF/Tol, 99/1)薄膜的GISAXS图像及(m) 一维面内方向积分曲线

文章第一作者为武汉理工大学材料学院博士研究生李栋辉，通讯作者为武汉理工大学材料学院王涛教授以及中国科学院化学研究所侯剑辉研究员。详见: Donghui Li, Chuanhang Guo, Xue Zhang, Baocai Du, Cong Yu, Pang Wang, Shili Cheng, Liang Wang, Jinlong Cai, Hui Wang, Dan Liu, Huifeng Yao, Yanming Sun, Jianhui Hou*, Tao Wang*. Non-fullerene acceptor pre-aggregates enable high efficiency pseudo-bulk heterojunction organic solar cells. Science China Chemistry, 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-1128-1.

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通讯作者简介

王涛，武汉理工大学教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，国家级人才计划青年项目入选者，湖北省特聘专家，湖北省杰出青年基金获得者，Reports on Progress in Physics编委。2009年获英国University of Surrey物理学博士学位，之后在英国University of Sheffield从事博士后研究。2013年加入武汉理工大学，主要从事太阳能电池材料与器件领域的研究，先后获得英国高分子物理学会Ian Macmillan Ward奖，湖北青年五四奖章，英国萨里大学“青年成就奖”等荣誉称号，现已在Joule, Nano Lett., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等高水平刊物上发表SCI论文130余篇，杂志封面报道10篇，授权国家发明专利9项。