【仪表网 研发快讯】有机太阳能电池(OSCs)因其轻质、柔性及半透明等优异特性，在可穿戴电子、光伏建筑/农业等领域具有广泛的应用前景。近年来，非富勒烯受体的快速发展极大地推动了OSCs性能的提升。对于受体分子而言，其光电惰性的侧链对于调控共轭骨架自组装及相分离具有重要作用。但常规烷基侧链和芳基侧链在材料结晶性和组分兼容性之间具有明显的“trade-off”，往往导致相分离不理想。
为解决这个问题，青岛能源所先进有机功能材料与器件研究组在已有“侧链外围功能化”设计理念基础上，通过在共轭骨架上的柔性链段外围引入功能基团，有效平衡了结晶性与兼容性之间的矛盾。该设计策略兼具普适性和多功能性，已被国内外多个研究团队采纳，并在高效稳定有机光伏的研究中发挥着重要作用。
此前研究中，团队主要均用苯基作为外围功能基团调控有机共轭分子的聚集态。苯基作为一种整体呈现弱电负性的共轭基团，更多发挥未阻作用，调节分子自组装，同时作为共轭平面参与分子间π-π作用构建及空间超共轭效应。为了进一步明确描述分子外围强电子效应的功能特性，研究团队通过引入具有强电负性的苯并三氮唑(BTz)进行外围功能调控，并基于一锅法得到了两类BTz异构体(图1)。研究结果不仅证实了外围基团对分子堆积、给受体相互作用及共混形貌的多重影响，还揭示了外围缺电子基团通过分子内相互作用诱导主骨架电子云分布重排，进而显著调控异质结能量景貌及非辐射能量损失(ΔEnr)的作用机制。由于ΔEnr的显著差异(0.30 eV vs 0.22 eV)，两个外悬异构化的受体分子YBTz-1和YBTz-2表现出大相径庭的光伏性能(14.7% vs 19.1%)。同时，YBTz-2受体的低非辐射能损特性使其在多组分器件中具有很好应用。将YBTz-2进行掺杂后，可以在保持开路电压基本不变的前提下，显著改善三组分异质结的纳米形貌，同时提高器件的短路电流密度和填充因子，实现了19.9%的高转换效率。
图1 分子外围强电子效应功能基团异构化研究
此外，研究还发现外围功能基团介导的受体结晶动力学和活性层相分离动力学的同时优化，降低了YBTz-2器件活性层的缺陷态密度和亚稳态分布，提高了光伏电池的长期稳定性，光伏器件在连续加热工况下T80%超过2000小时。相关研究不仅拓展了外围基团的功能特性，还为解决有机光伏的效率瓶颈-非辐射能量损失过高提供了重要参考。
相关研究成果近期发表在Energy & Environmental Science期刊。论文第一作者为博士生王晓宁，通讯作者为包西昌研究员、李永海副研究员及毕富珍助理研究员。本研究得到国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、及山东能源研究院专项基金等项目资助。
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