基于Y6类受体的纤维形貌调控——实现光伏性能提升

近年来，有机光伏领域由于新型受体材料的开发而迅速发展，器件光电转换效率已经超过18%。由于有机半导体中光生激子的本征物理特性，以及有机半导体薄膜较低的迁移率，本体异质结形貌一直是影响器件性能的关键因素。早期的研究中，受体材料主要采用富勒烯受体PCBM，该材料电子传输性能好，结晶性弱，形貌简单。而非富勒烯受体材料多样性高，物性差异大，给受体的结晶可以诱导形成多尺度的复杂结构，形貌调控难度大，构效关系不明确。如何理解非富勒烯共混薄膜内部的运作机制，并有效地指导新型材料的开发和器件制备工艺的改进，是效率进一步提升的关键。

图1. 使用的非富勒烯受体材料、器件性能以及复合测试

解决非富勒烯体系的形貌问题，核心思路是解决非富勒烯受体结晶形貌的问题。近年来Y6类受体的出现极大地提升了器件的效率，而其结晶形貌的调控依然比较困难。上海交通大学刘烽研究员（点击查看介绍）课题组在认识到Y6受体特殊的类聚合物堆积结构的基础上，对其结晶形貌优化开展了一系列的工作。对于晶体形貌的调控，除却采用调控结晶过程的动力学方法外，设计合适的热力学本征调控策略，是另一条有效的途径。采用结构近似的受体组合，在成膜初期使其进行局域归类、纯态成核生长，而在消耗掉本相材料后，异同晶体之间的相似性与差异性，可以导致晶体形貌在纳米尺度上的若离若即，进而对晶体形貌进行调控，机制上类似于结晶沮丧（crystallization frustration）。利用这种欺骗性方法的原则，课题组在高效率PM6:Y6基础体系上，通过受体材料之间相互作用来调控共混膜的整体形貌。通过合理的材料筛选，构建了Y6-Y6-BO，Y7-Y7-BO受体组分对，最终构建成功窄片层晶体堆积（eutectic lamellae）。由于材料的近似性，相对结晶性质不受影响，反而有所增强，而强势的结晶形态对薄膜相分离形貌有很强的调控作用，使得器件在保持较高开路电压和填充因子的同时，实现短路电流的显著放大。

图2. 共混薄膜的透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、光诱导力显微镜（PiFM）

结合掠入射X射线散射（GIWAXS）以及红外-原子力显微镜联用技术（PiFM），研究发现在共混薄膜中，Y6分子具有类聚合物型的有序排列，通过跨面堆叠可以在晶格中形成两束互相交叉的高有序pi-pi堆积延伸组装，诱导形成高长径比的纤维状晶体。在三元薄膜中，1：1引入结构高度近似的Y6-BO，可以可以在共熔点附近共同固化，诱导pi-pi堆积的长程化，进一步提升Y6结晶的的长径比，实现结晶片层（eutectic lamellae）的交替平行堆积。同时，生长前沿相近的表面能可以显著降低杂质的引入，因此获得更好的结晶品质，提升电荷在薄膜内的传输性能。第三元更深的能级结构可以促进电荷的超快转移，抑制非成对复合，自由电荷具有更大的密度和更长的寿命，保证了器件的高效性能。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的通讯作者为上海交通大学刘烽研究员。

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High‐Efficiency Organic Photovoltaics using Eutectic Acceptor Fibrils to Achieve Current Amplification

Ming Zhang, Lei Zhu, Tianyu Hao, Guanqing Zhou, Chaoqun Qiu, Zhe Zhao, Nicolai Hartmann, Biao Xiao, Yecheng Zou, Wei Feng, Haiming Zhu, Maojie Zhang, Yongming Zhang, Yongfang Li, Thomas P. Russell, Feng Liu

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202007177

刘烽研究员简介

刘烽，上海交通大学化学化工学院高分子系研究员。2014年于麻省大学高分子系获得博士学位，同年加入劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究工作。2016年加入上海交通大学，研究员，博士生导师。

研究领域为：1) 有机/钙钛矿光伏电池形貌表征及其结构与性能的关系; 2) 含氟功能薄膜构效关系及其燃料电池应用; 3) 软X射线碳边散射表征软物质纳米/介观尺度结构。

https://www.x-mol.com/university/faculty/43017