近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義團(tuán)隊(duì)在前期高效率和柔性有機(jī)太陽能電池研究的基礎(chǔ)上(Nature Photonics, 2015, 9, 520; Advanced Materials, 2018, 30, 1800075; Advanced Materials, 2019, 31, 201902210; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2808.)，在高效率有機(jī)太陽能研究中取得了新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了新型苯基取代苯并二噻吩(BDT)為中心核的小分子給體，通過三元共混策略引入D18-Cl:Y6體系，獲得單結(jié)剛性18.5%和柔性15.9%的效率，是目前公開報(bào)道的單結(jié)剛性和柔性有機(jī)太陽能電池的最高效率之一。
該研究中，研究人員分別以二噻吩并噻咯(DTS)和環(huán)戊二噻吩(DTC)為π電子連接單元，合成了小分子給體G19和G17。由于較長的C-Si鍵減小了位阻(C-Si vs C-C:1.87Å vs 1.53Å)，G19在In Plane方向上表現(xiàn)出很強(qiáng)的π-π堆積峰，展現(xiàn)出強(qiáng)的edge-on取向，G17則表現(xiàn)出各向同性的特點(diǎn)。通過三元策略摻入D18-Cl:Y6體系，基于G19的三元器件獲得了18.53%的效率，G17的效率略微下降至17.13%。高度有序的小分子給體客體G19的引入較好調(diào)控了薄膜的形貌，使得三元共混薄膜能夠形成很強(qiáng)的π-π堆積，顯著提高了OSCs的填充因子。與基于D18-Cl:Y6的二元器件相比，三元器件電流密度的增加可歸因于光譜的互補(bǔ)吸收以及可以形成更好的異質(zhì)結(jié)形貌，且客體的引入為電荷解離和提取提供了更多通道。同時(shí)，基于Ag NWs/PH1000/PET的柔性透明電極而制備的無ITO的器件PCE達(dá)15.9%，且具有較好的機(jī)械穩(wěn)定性，在1000次連續(xù)循環(huán)彎曲(彎曲半徑r=3 mm)后仍能夠保持初始PCE的93%。
相關(guān)研究成果以Small Molecular Donor Guest Achieves Rigid 18.5% and Flexible 15.9% Efficiency Organic Photovoltaic via Fine-tuning Microstructure Morphology為題，發(fā)表在Joule上。研究工作獲得國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)、中科院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。
（a）G17和G19的分子式；（b）G17和G19的GIWAXS表征；（c）D18-Cl:G19:Y6三元剛性和柔性器件的J-V曲線
