Joule专访山大高珂教授：小分子太阳电池新突破 | Cell Press对话科学家

2022-12-17 12:12

物质科学

Physical science

近日，山东大学物质创制与能量转换科学研究中心高珂教授课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule在线发表了题为“Rational Control of Sequential Morphology Evolution and Vertical Distribution towards 17.18% Efficiency All-Small-Molecule Organic Solar Cells”的研究成果。高珂教授课题组在有机小分子太阳电池方面取得重要进展，研究团队设计合成新型固体添加剂甲氧基石墨炔，并采用逐层加工工艺，协同调控小分子太阳电池垂直相分离与材料结晶。研究证明甲氧基石墨炔在调控和优化微纳结构方面的独特优势，实现了目前小分子太阳电池最高光电转换效率记录（验证效率达17.08%），为小分子太阳电池的发展提供重要的指导意义。该论文是山东大学以第一单位在Joule上发表的首篇论文。

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有机太阳电池利用有机材料实现光电转换，由于具有柔性、质量轻盈、可印刷制备等特点受到各国科研人员的关注。有机太阳电池分为聚合物太阳电池（PSC）与小分子太阳电池（ASM OSC），相比于PSC，ASM OSC具有一系列优势，诸如：材料合成简单，化学结构明确，无批次差别等，具有更大的商业化潜力。但由于其分子量小，导致粘度较低，成膜性差，故活性层中的微纳形貌的调控非常困难，制约着器件性能的提升。

为此，高珂教授课题组一方面利用热力学思路，精选活性层中的小分子材料。另一方面，设计合成新型石墨炔作为固体添加剂，同时采用逐层加工（LBL）工艺调控活性层中的垂直相分离与材料结晶，实现了小分子太阳电池中共混薄膜微纳形貌的优化，最终获得了高性能的小分子太阳电池器件。

图1. 高效小分子太阳电池体系与器件构筑

图2. 薄膜微纳形貌演变与电荷传输示意图

该论文得到李玉良院士的悉心指导，前沿交叉科学青岛研究院孙延娜助理研究员为该论文的第一作者，山东大学高珂教授和华南师范大学辇理教授为该论文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、山东大学双一流建设经费、山东省重大基础项目、山东省青年基金、山东大学青年未来计划等项目的资助。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请高珂教授进行了专访，

请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

首先感谢您接受我们的采访！有机太阳能电池是时下非常热门的研究领域，对光电转换器件和设备的开发至关重要。全小分子有机太阳能电池（ASM OSCs）作为有机太阳能电池的一种，拥有怎样的结构特征？具有哪些独特优势呢？

高珂教授：

全小分子有机太阳电池（ASM OSCs）的活性层材料由小分子给体和小分子受体组成。相比于聚合物太阳电池，ASM OSCs具有一系列优势，诸如：材料合成简单，化学结构明确，无批次差别等，因此具有更大的商业化潜力。

CellPress：

ASM OSCs的性能优化可以从哪些方面入手？

高珂教授：

1）给体材料：ASM OSCs中高性能的小分子给体通常具有以下特征，如低HOMO能级，可见光范围内高效吸收光谱，良好的平面结构，有序的分子堆积和合适的结晶度，以及高空穴迁移率。这些特性有利于ASM OSCs实现高Voc、Jsc和FF。结合目前高效的卟啉/低聚噻吩/BDT等单元的优势，增加小分子给体材料的多样性，有望获得更为优异的器件性能。

2）受体材料：ASM OSCs中的非富勒烯受体对于利用 NIR 范围内的光子吸收至关重要。高电子迁移率、具有“面对面分子取向”的强结晶度以及与给体形成合适混溶的性能对于高效ASM OSCs 至关重要。此外，探索新的与给体材料匹配的窄带隙受体对于进一步提升性能仍然是迫切需要的。

3）形态控制：活性层的形态决定了OSCs中电荷的产生、分离和传输过程。溶剂蒸汽退火、热退火和添加溶剂添加剂是通过对ASM OSC中的给体、受体材料进行重新排列和重结晶，进而微调活性层形貌的常用方法，这些方法也已在聚合物太阳电池中得到广泛应用和研究。优化的形貌表现出优选的面对面分子堆积、合适的结晶度、具有合适尺寸的相分离互穿网络以及分层形貌等，这有望进一步提高器件性能。

CellPress：

您和您的团队在研究工作中分别使用了两种受体-给体的堆叠方式，包括本体异质结（BHJ）和层层组装（LBL），请问这两种构建手段对于受体-给体的分布结构有何影响？体现在性能中又有何区别？

高珂教授：

体异质结（BHJ）结构通过在膜沉积期间电子给体和受体材料的预混合溶液的自发相分离形成，通过相分离形成的双连续互穿网络有利于激子扩散和解离、电荷转移和收集。尽管已经取得了重大进展，但如何精确控制和阐明BHJ形态仍然具有挑战性。逐层处理（LBL）给受体材料可以独立地优化每个层的微观结构，这能够克服给体和受体材料之间的热力学互溶性引起的不相容性，拓宽了微调分子填充的处理窗口。通过选择合适的加工条件来控制给体和受体之间的相互扩散，从而形成具有足够给受体界面的有利垂直成分分布，并且每个层都可以保持其高结晶度。在这样的理想形态中，分离的空穴和电子分别迁移到纯给体和受体相中，并更平滑地传输到各自的电极，这有利于抑制双分子电荷复合并提高电荷收集效率。最终，基于ZnP-TSEH:4TIC:6TIC的LBL器件获得了77.31%的FF，以及17.18%的突破效率（验证效率：17.08%），显著高于对照BHJ器件。

CellPress：

研究工作中，您和您的团队创新性地将甲氧基取代石墨炔（GOMe）引入受体-给体的体系中，GOMe在分子堆积以及光电转化过程中起到了怎样的作用？

高珂教授：

将固体添加剂GOMe添加到给体层略微增强了分子堆积并增加了表面粗糙度，从而为随后的受体沉积提供了合适的基质，这显著促进了受体扩散从而形成优选的垂直分布。另一个方面，GOMe处理的受体层显示出更紧密的分子堆积。通过这种方法，合理控制的共混物形态同时具有紧凑的分子堆积、足够的给受体界面和垂直传输通道，实现了增强的激子解离和电荷传输，从而获得更为优异的器件性能。

CellPress：

在未来的研究工作中，对于具有不同取代基的石墨炔分子作为构建有机太阳能电池受体-给体层的添加剂是否值得进一步研究？请问您对该方向有何期待？

高珂教授：

石墨炔作为中国具有自主知识产权的新型碳材料，由拓扑有序的sp和sp²碳原子构成，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、优良的化学稳定性等独特优势，在催化、能源存储与转换等领域展现出巨大的应用潜力。在之前的工作中，我们已将石墨炔当做形貌调节剂（固体添加剂）成功应用到聚合物太阳电池，实现了超过17%的验证效率，是当时最高效的有机光伏器件。在本工作中，我们将LbL沉积和固体添加剂GOMe相结合为合理控制ASM-OSC的形态演化和垂直分布提供了理想的模型，进一步验证了石墨炔作为固体添加剂在有机太阳电池领域中的应用优势。添加剂在有机光伏器件性能提高方面几乎是具有必不可少的地位，相对于液体添加剂，固体添加剂不受制备条件（温度，气压）等影响，能大幅度提高器件的优品率及重复率，但是迄今高性能的固体添加剂还比较少。我们希望这项工作能够激发大家的研究热情，促进相关方向的进一步发展，进而推动有机太阳电池的产业化。