高效、穩定、易加工，有機光伏領域迎來新材料

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近日，《焦耳》發表了國家納米科學中心研究員魏志祥和項目研究員鄧丹團隊關于大分子量受體G-Trimer的最新成果。該研究集成非鹵溶劑易加工、高效率與高穩定性，為有機光伏發展提供了一類新型材料。

新結構分子的設計合成是推動有機電子學發展最重要的驅動力。在有機太陽能電池中，共軛聚合物具有良好的成膜性，但同時存在合成不可控和批次差異性大等缺點，導致材料和器件重復性欠佳，是其商業化進程中的重要瓶頸。

共軛小分子結構明確，解決了合成可控性和批次差異性問題，但卻帶來新的挑戰，特別是電荷輸運強烈依賴結晶性和最佳活性層形貌難以獲得，從而影響了器件性能和穩定性。

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共混膜空穴傳輸機制示意圖。國家納米科學中心供圖

針對小分子和聚合物存在的優勢和不足，國家納米科學中心研究員魏志祥和項目研究員鄧丹等發展了介于小分子和聚合物的 “N-π-N” 型二聚體，將高效率的小分子N型受體材料通過共軛基團連接起來，該新型二聚體材料結合了小分子和聚合物各自的優勢，達到18.2%的器件性能，遠高于對應小分子（16.2%）和聚合物（15.8%），并表現出更為優異的光、熱穩定性。  

為進一步提升受體材料的非鹵溶劑加工性能和器件效率，該團隊在前期工作基礎上，以Y型受體為結構單元，設計合成兼具高分子量與星形低偶極矩結構的巨型三聚受體材料G-Trimer。該材料將聚集驅動力從傳統強偶極作用調整成高分子量間強相互作用，有效調控了受體分子在非鹵溶劑鄰二甲苯中的預聚集及成膜過程中的組裝行為，進而實現了非鹵溶劑的優異加工性能和器件效率的突破。以傳統聚合物PM6為給體材料，新型G-Trimer為受體材料的正向小面積剛性器件在鄰二甲苯加工下獲得了超過19%的能量轉化效率，在空氣中狹縫涂布法刮涂制備的1平方厘米柔性大面積反向器件獲得14.25%的效率，且46.2平方厘米柔性大面積模組的能量轉化效率可保持在13.25%，以上效率均為迄今為止報導的無鹵溶劑加工的最高值。

此外，基于G-Trimer的反向器件表現出優異的熱穩定性，在80℃持續加熱4500小時，可維持近90%的初始效率。與線型二聚體和相比，該材料在鄰二甲苯溶液中表現出溫度依賴的預聚集特性，并能影響PM6的預聚集。前者促進了受體的有序聚集，后者利于PM6的有序堆積和纖維形貌的生成，降低了薄膜的能量無序度，利于電荷壽命的提高。在低電荷分離驅動力情況下，其存在高效局域激子介導和離域激子介導共存的雙空穴轉移機制，從而顯著促進了低驅動力下的電荷產生效率，大大提升了光子利用率。此外，其高玻璃化轉變溫度也讓器件表現出優異的熱穩定性。

“因此，G-Trimer能同時提高綠色溶劑的加工性能、有機太陽能器件的效率和穩定性，為商業化光伏受體材料的設計提供了重要指導。”鄧丹說。