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大总结：高效有机小分子太阳能电池的最新进展
近十年来，有机体异质结太阳能电池得到了迅猛发展，整个领域的最高的认证光电转换效率已逼近13%。其中，单层电池器件效率从5%提高到认证效率11.6%（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602776），叠层电池的认证效率已经达到12.7%（Nat. Photon., 2017, DOI: 10.1038/nphoton.2016.240）。然而科学家们还需要努力进一步提高效率，并改善器件的稳定性，以促进有机光伏器件的商业化应用。目前已经报道了各种各样的分子主链结构，效率也已经达到10%。与聚合物给体相比，小分子具有许多明显的优点，例如结构确定、易提纯、无批次差别等。此外小分子也避免了链以及链端缺陷。在最近五年中，科学工作者们发表了数百篇关于可溶液加工的小分子太阳能电池的论文，涉及合成、器件设计等，光电转换效率也得到了成倍的提高。
作为对过去几年科研成果的回顾，最近加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的Thuc-Quyen Nguyen教授分别从分子结构、薄膜形貌、工作机制以及器件物理等方面对高效小分子给体体系做了详细的总结，并在目前的理解基础上，指出现阶段提高效率所面临的挑战，并对该领域的进一步做出了展望。
Thuc-Quyen Nguyen教授。图片来源：Adv. Energy Mater.
以光电转换效率9%为分界线，总体进展为：南开大学最先报道了一系列基于BDT为核或者联噻吩为核、同染料为端基的小分子给体材料，效率首先突破9%（Nat. Photon., 2014, DOI: 10.1038/nphoton.2014.269），随后华南理工大学报道了一系列宽吸收的卟啉材料，效率超过9%（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201505645），随后国家纳米中心报道了以双氟代BT为核的小分子材料，效率超过9%（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201600512），之后北京理工大学报道了IDT为核的小分子，效率也超过9%（J. Am. Chem. Soc., 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b03495）。当然也有不少工作根据上述小分子结构进行化学微调，也获得了较高的效率。
要想获得高效的小分子太阳能电池，除了要精心设计分子主链结构外，优化体异质结中薄膜的形貌也是至关重要的。一般的测试手段包括AFM、GIWAXS、TEM等。为了获得较高质量的薄膜，常用的加工控制手段包括TA（热处理）、SVA（溶剂退火）、添加剂等。
活性层BDT2:PC71BM的形貌以及效率示意图（其中a和b是AFM；c是TEM；d和e是GIWAXS；f是J-V曲线）。图片来源：Adv. Energy Mater.
DTS(PTTh2)2: PC71BM薄膜连续相示意图。图片来源：Adv. Energy Mater.
从已报道的成果可以看出，高效的小分子一般具有平面的二维的结构，并能够聚集或者自组装成具有合适尺寸的相分离形貌，以实现电荷的有效分离和传输。
桥原子对分子结构的重要性。图片来源：Adv. Energy Mater.
基于对小分子给体材料的理解，作者提出了小分子太阳能电池未来研究所需要注重的方向，简述如下：（1）处理好化学结构以及形貌优化之间的关系；（2）液晶以及类液晶有序性促进的自组装在提高电荷传输、减小复合中的作用；（3）开发新型高效非富勒烯受体；（4）高效小分子混合薄膜器件物理更深层次的理解；（5）设计并提高器件的稳定性，以实现商业化生产。
这篇共46页的综述内容很多，推荐相关领域的同仁仔细阅读。不过，要想实现有机太阳能电池的终极目标——商业化生产，科研工作者们还要继续努力，效率突破15%，才能够使有机太阳能电池有机会造福人类，帮助解决人类面临的能源危机。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Small is Powerful: Recent Progress in Solution-Processed Small Molecule Solar Cells
Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201602242
（本文由科研小顽童供稿）