薄志山教授团队：调控非富勒烯成核生长实现长链分子高质量结晶堆积制备高效光伏电池

薄志山教授团队通过添加剂调节共轭分子的成核和生长动力学，使共轭分子形成了更加有序的堆积排布。有趣的是，长链BTP-eC9-4F分子可以实现与短链分子相当的有序堆积质量，且不会影响其溶液加工性能。基于D18:BTP-eC9-4F的有机太阳能电池光电转换效率达到了19.2%。研究结果展示了一种简单易行的策略用以提高有机半导体的堆积质量，从而实现更优异的光电性能。

面向溶液法大面积印刷制备的有机半导体在光电领域备受关注。溶液法制备的有机光电器件包括发光二极管、场效应晶体管、光伏器件等在性能和应用方面都取得了长足的进步。通常，有机半导体分子由共轭骨架和侧链组成，芳香族单元耦合在一起以构建共轭骨架，而溶解性则通过引入侧链基团来实现。侧链的无序性确保了溶液加工性能，一般来说，侧链越大，在溶剂中的溶解性越好。然而，侧链的位阻会降低分子间π-π相互作用强度，从而影响薄膜中的电荷传输性能。因此，提高有机半导体的溶液加工性能，通常会牺牲薄膜的传输质量。

以有机太阳能电池为例，在材料设计方面，特别是对于给体和受体分子而言，烷基链的长度会影响成膜之后分子间的堆积，从而改变薄膜的电子传输特性。增加烷基链长度会提高溶液加工性，但烷基链较大的位阻效应会降低薄膜传输性能。减小烷基链长度则会降低溶液可加工性，对相分离形貌等造成不良影响。在材料设计之外，多种器件工艺被用于调整共混薄膜的分子堆积和形态。虽然这些策略可以改善材料的结晶度，但长烷基链的导致的电荷传输问题依然存在，这阻碍了器件效率的进一步提高。

为了应对上述挑战，薄志山教授团队以常见的D18:BTP-eC9-4F作为活性层，引入了几种噻吩衍生物（2,5-二氯噻吩（Th₂Cl）、2,3,5-三氯噻吩（Th₃Cl）和四氯噻吩（Th₄Cl））作为添加剂，从薄膜生长方面调节共轭分子的聚集行为。以添加剂Th₄Cl为例，其倾向于调节共混薄膜中BTP-eC9-4F分子的聚集生长，促进更高质量相域的形成，可与短链BTP-eC7-4F相媲美。BTP-eC9-4F相域尺寸从24.2 nm增加到32.2 nm，激子扩散和电荷传输速率增加（图1）。经过Th₄Cl处理的二元光伏器件效率提高至19.2%。这一结果表明，可从器件工艺角度在不影响有机分子溶液加工属性的前提下，提高薄膜结晶质量以实现高传输、低复合、高效率，从而为有机光电领域的发展应用提供了更多参考案例。

图1. D18、BTP-eC9-4F和混合薄膜GIWAXS二维图以及对应一维图谱，图中可以看出长链BTP-eC9-4F呈现出短链BTP-eC7-4F的结晶堆积特征，同时在混合膜中仍然保持其结晶堆积形态。

论文第一作者是博士生崔新悦，共同通讯作者为青岛大学刘玉强教授、张安东副教授和薄志山教授。详见：Xinyue Cui, Hongxiang Li, Hao Lu, Yuqiang Liu, Guangliu Ran, Rui Liu, Huarui Zhang, Xueqing Ma, Dawei Li, Yi Lin, Jifa Yu, Wenkai Zhang, Lei Cai, Yahui Liu, Pei Cheng, Andong Zhang, Zaifei Ma, Guanghao Lu, Zhishan Bo. Highly efficient solution-processed organic photovoltaics enabled by improving packing behavior of organic semiconductors. SCIENCE CHINA Chemistry, 2023, doi: 10.1007/s11426-023-1821-y。

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