港深穗四校合力：19.2%光电转换效率的有机太阳能电池，逐步调控薄膜结晶与激子动力学实现绿色溶剂制备

研究背景

有机太阳能电池(OSCs)在零碳社会和智能城市建设中作为能源供应源具有巨大的潜力，单节器件的功率转换效率(PCE)已经超过19%，叠层器件的效率值已经超过20%。这主要归功于合理的材料设计和组合，同时也要借助氯仿(CF)，这是一种强大的溶剂(溶解度)，能够快速实现液体到固体的相变，使得薄膜形貌调控比高沸点(BP)溶剂的体系更容易。然而，CF并不是大规模生产OSC器件的理想选择，特别是在印刷型场景中，其低BP会使薄膜形成过程难以控制。此外，其潜在的致癌性也是一个不可避免的缺点。因此，实现高BP、非卤化溶剂(如工业兼容的邻二甲苯)处理的OSCs中的高PCE具有重要意义。

Step-by-Step Modulation of Crystalline Features and Exciton Kinetics for 19.2% Efficiency Ortho-Xylene Processed Organic Solar Cells

Bosen Zou, Weiwei Wu, Top Archie Dela Peña, Ruijie Ma, Yongmin Luo, Yulong Hai, Xiyun Xie, Mingjie Li, Zhenghui Luo, Jiaying Wu, Chuluo Yang, Gang Li and He Yan

Nano-Micro Letters (2023)16: 30

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01241-z

本文亮点

1. 一种新型的氟-甲氧基末端基团被合成修饰用于Y系列受体，并应用了非对称取代策略进行逐步优化。

2. 工业兼容溶剂邻二甲苯处理的有机太阳能电池实现了19.24%的功率转换效率。

3. 揭示了由溶剂选择引起的设备性能差异的基础形貌和光物理变化，这为未来类似主题的研究提供了一个模板。

内容简介

设计具有显著特性的新材料，例如，符合期望的能级、强晶体性和良好的溶解度，作为第三组分构建三元混合与宿主供体-受体系统，已经成为近年来提高设备效率的一种流行和简单的策略。值得注意的是，几乎所有的报告都集中在CF处理设备上评估材料性能，因为一个基本假设是其他溶剂启用的设备应该显示类似的效率变化趋势。因此，在研究领域中，报告溶剂选择引起的三元设备工作机制差异仍然是一个空白：很少有案例关注处理溶剂是否对三元策略应用时形貌优化的成功有影响。

另一方面，开发具有高最低未占据分子轨道(LUMO)能级的小分子受体(SMAs)作为第三组分是提高三元设备效率的重要策略。末端基团作为A-DA’D-A型NFAs的重要“A”组分，在调节吸收光谱、确定LUMO水平和分子间电荷转移(ICT)效应中起着不可忽视的作用。目前，对于ADA1DA型SMAs，卤代取代末端基团在开发具有大偶极矩、强晶体性和高设备性能的受体方面显示出巨大的优势。此外，卤素在异二卤代取代末端基团中的位置也对分子的理化性质产生了显著的影响。例如，我们通过改变Cl和Br在末端苯上的位置，开发了三种异构Cl/Br共取代末端基团(IC-ClBr具有β-和γ-卤素取代位点，IC-ClBr1具有γ-和δ-卤素取代位点，IC-ClBr2具有β-和γ-卤素取代位点)。其中，IC-ClBr末端受体基础设备显示出比IC-ClBr1和IC-ClBr2末端受体更高的开路电压(VOC)(0.906 vs. 0.854 vs. 0.845 V)。同样，王等人报道的氟氯共取代末端基团也显示出相同的VOC变化趋势。此外，将电子供体单元(甲基，甲氧基)引入末端基团可以有效地提高LUMO值并降低光学带隙，从而提高OSCs的VOC。因此，开发具有特定位置的卤素和电子供体单元的末端基团，为创造具有高VOC和良好效率的受体提供了一个有前景的途径。此外，关于结合电子供体和电子吸收单元的末端基团的报告还很有限。探索这样的组合不仅可以扩大可用末端基团的范围，而且可以丰富末端基团和SMAs的材料库。

图文导读

I 材料设计策略

图1. 端基及不对称受体小分子合成路线与密度泛函理论计算。

II 器件性能效率与稳定性对比

三元策略对氯仿体系提升作用不明显，对二甲苯体系提升明显，达到同类器件最高值的19.24%。基于绿色溶剂邻二甲苯的刮涂三元器件效率高达19%，为领域内最高值，三元策略对于器件的光稳定性和热稳定性都有提升。

图2. 卤素溶剂/非卤素溶剂处理的器件性能对比：效率与稳定性。

III 薄膜结晶表征

图3. 活性层薄膜结晶表征。

IV 薄膜相分离表征

图4. 活性层薄膜相分离表征

V 激子动力学研究

图 5. 活性层薄膜中的激子动力学研究。

VI 小结

总的来说，通过开发一种新型的氟和甲氧基共取代末端基团，并应用非对称取代策略，我们合成了一种名为BTP-BO-3FO的小分子受体，作为一种有效的客体材料，用于追求由CF和o-XY处理的宿主系统PM6:BTP-eC9的功率转换效率。此外，使用BTP-BO-3FO在两种溶剂处理的设备中带来了不同的参数变化特性。形貌分析(GIWAXS, GISAXS, AFM, UV/PL拟合)和光物理表征揭示了不同的封装/聚集排序变化应该是解释。这项工作不仅提供了一个成功的材料设计案例，帮助三元混合实现更高的PCE(特别是绿色溶剂处理的达到19.24%)，而且也提醒我们，溶剂选择对三元策略的效果有强烈的影响，同时也提供了一个如何分析这些差异的研究模板。

作者简介

马睿杰
本文通讯作者

香港理工大学博士后研究员

▍主要研究领域
第三代太阳能光伏器件。

▍主要研究成果

马睿杰，香港理工大学卓越博士后研究员。2014-2018年于浙江大学取得物理学学士学位，2018-2022年在香港科技大学攻读化学博士学位(导师：颜河教授)。2022年8月加入香港理工大学电机与电子工程系李刚教授团队。主要从事第三代太阳能光伏器件的前沿科研。2018年入选香港政府研究生奖学金计划(HKPFS)。作为第一或通讯作者参与发表影响因子大于20的期刊论文30篇，包括：Joule (2篇)，Adv. Mater (3 篇)，Energy. Environ. Sci (3篇)，Nati. Sci. Rev. (1篇)，Adv. Energy Mater (4篇)，ACS Energy. Lett (4篇)，Nano Micro Letts (2篇) Carbon Energy (1篇)。总引用次数超过5600次，H-因子 40。2022，2023连续两年入选科睿唯安数据库交叉领域“全球高被引科学家”。2023年入选全球前2%科学家。

▍Email：ruijie.ma@polyu.edu.hk

罗正辉
本文通讯作者

深圳大学副教授

▍主要研究领域
有机光伏材料和器件研究。

▍主要研究成果

深圳大学材料学院副教授。2019年博士毕业于武汉大学，并随后到香港科技大学从事博士后研究工作，于2022年加入深圳大学。长期致力于有机光伏材料和器件研究，以第一/通讯作者发表SCI论文39篇，包括Joule (1篇)，Advanced Materials（2篇），Angew. Chem. Int. Ed.（4篇），NatureCommunications (1篇)，Energy & Environmental Science（6篇），Advanced Energy Materials（4篇），National Science Review （1篇），Nano-Micro letters (1篇)，Science China Chemistry (1篇) 等国际高水平期刊。论文总被引7400余次，H因子48。连续两年（2022和2023年度）入选科睿唯安全球高被引研究学者，连续三年（2021-2023）入选全球前2%顶尖科学家榜单。担任SusMat, Carbon Energy和Energy Devices and Materials期刊的青年编委。
▍Email：zhhuiluo@szu.edu.cn

吴佳莹
本文通讯作者

香港科技大学(广州) 助理教授

▍主要研究领域
材料光物理与器件物理。

▍主要研究成果

吴佳莹教授现担任香港科技大学(广州)功能枢纽先进材料学域助理教授、香港科技大学工学院化工与生物分子工程系兼职助理教授。吴教授于2013年获得电子科技大学(微电子与固体电子学院)学士学位；随后在英国伦敦帝国理工学院获得硕士(2013-2014)和博士学位(2015-2019)，师从世界顶尖光电物理化学学家、英国皇家科学院院士 – James R. Durrant教授；后继续在Durrant课题组从事博士后研究(2019-2021)。吴教授的研究方向为材料光物理与器件物理。其研究的材料主要运用于有机/钙钛矿太阳能电池和光电探测器等光电转化领域。她的研究主要通过超快吸收光谱以及瞬态光电等光谱实验手段，研究光电材料的作用过程中的载流子动力学，分析解释材料和器件的作用机理，为材料设计和器件优化提供指导思路。吴教授带领的材料先进表征与分析团队，旨在攻克新型材料与技术中的基础难题。
▍Email：jiayingwu@ust.hk

颜河
本文通讯作者

香港科技大学讲席教授

▍主要研究领域
有机太阳能领域的研究。

▍主要研究成果

颜河，香港科技大学教授，2020年腾讯科学探索奖的50位获奖人之一，在有机电子材料领域有多年研究经验，曾创办著名的Polyera公司。2009年，颜河教授课题组在《自然》杂志上发表了一个高迁移率的n型有机半导体高分子材料。此材料被誉为开启了“新晶体管时代”并登上了《自然》的封面。回到香港科大后，颜河从事有机太阳能领域的研究。在过去几年中多次打破有机太阳能电池的世界纪录。颜河教授的研究成果在2015年被美国国家可再生能源实验室收录进著名的“best research-cell efficiency chart”世界纪录表。
▍Email：hyan@ust.hk

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 港深穗四校合力：19.2%光电转换效率的有机太阳能电池，逐步调控薄膜结晶与激子动力学实现绿色溶剂制备