國家納米中心在有機太陽能電池研究方面取得進展

近日，中國科學院國家納米科學中心納米系統與多級次製造重點實驗室研究員魏志祥、呂琨、博士鄧丹和西安交通大學教授馬偉等合作，設計併合成的可溶性有機小分子光伏材料，通過活性層形貌優化，獲得了11.3%的光電轉換效率，這是目前文獻報道的可溶性有機小分子太陽能電池的最高效率，也是有機太陽能電池的最高效率之一。相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Commun., 2016, 7, 13740）上。

有機太陽能電池因為其具有原材料來源豐富、成本低廉、質量輕、可通過印刷製備為大面積柔性器件等優點，成為具有重要應用前景的太陽能利用方式，近年來引起廣泛關注。在活性層材料中，相比于聚合物材料，可溶性有機小分子具有純度高、明確的分子結構和分子量等優點。但是，目前基於有機小分子太陽能電池的效率依然需要進一步提升，尤其是性能更為穩定的反向器件的最高能量轉換效率低於9%。

提高光電轉換效率的兩個主要途徑，一是通過分子設計調控能級結構，二是通過改善器件活性層形貌從而降低電荷複合，減少能量損失。魏志祥課題組通過改變可溶性小分子的端基受體中氟原子的個數，實現了這兩個方面的協同優化。氟化端基有利於降低材料的HOMO能級和光學帶隙；同時可以降低與富勒烯受體的相容性和材料的表面能。研究表明，氟化端基誘導了材料在水平方向上多級次相尺寸的分佈，即同時存在相純度高且利於電荷傳輸的大尺寸顆粒（約100nm）以及增加給受體界面面積且利於電荷分離的小尺寸顆粒（約15nm）。這種多級次相尺寸的分佈使電荷分離和傳輸更趨於平衡，減少了電荷的複合，從而減少能量損失。在垂直方向上，氟化端基提高了表面給體材料的富集程度，在正極表面形成了電子阻擋層，進一步減少了能量損失，從而實現了器件效率的提升。基於此，該課題組提出了反向器件活性層的理想形貌模型，在水平上形成多尺度納米組裝結構，在垂直方向上形成有利於電荷收集的垂直相分佈。該工作深入闡述了高效光伏材料的分子設計、形貌調控和器件性能之間的內在關係，對高效率有機光伏材料的設計具有重要借鑒意義。

該成果得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、國家自然科學基金重點項目、中科院納米先導專項等項目的支持。