国家纳米科学中心魏志祥&邓丹AM：全小分子有机太阳能电池中给体端基烷基链长度依赖的非辐射能量损失

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前言回顾

全小分子有机太阳能电池（ASM−OSCs）的活性层材料由小分子给体和小分子受体组成，由于其明确的分子结构而具有优异的材料和器件重复性。二元和三元ASM−OSCs器件的功率转换效率（PCE）分别超过16%和17%。然而，优化的器件性能通常需要后处理如热退火（TA），这会增加器件的非辐射电压损失（ΔVnr）。因此，在ASM−OSCs的给体设计中，应考虑对后处理对分子造成的聚集效应。此外，为了减轻这一效应对空穴迁移率的影响，同时考虑到有效电荷产生、电荷传输和低ΔVnr，应调整材料结构设计策略，从而获得良好的相分离和π−π堆积。

图1.相关分子结构与基本性质

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文献简介

基于课题组先前报道的高效小分子给体材料M-PhS，近日，国家纳米科学中心魏志祥研究员、邓丹副研究员团队设计并合成了三种小分子给体材料MPhS−C6，MPhS−C4和MPhS−C2，其分别具有丁基到乙基的封端烷基链，经TA处理后HOMO能级的上移受到抑制。与MPhS−C6相比，MPhS−C2薄膜表现出较小的驱动力，当使用BTP−eC9作为受体时，共混物形成了较小相分离、紧密分子堆积的体异质结，最终器件的PCE为16.54%，并且能够产生有效电荷（短路电流密度为26.86 mA cm-2），ΔVnr为0.182 V（开路电压为0.886 V）。值得注意的是，在不含任何添加剂情况下，基于MPhS-C2/BTP−eC9的优化共混物中实现了高外部电致发光量子效率，比其相应的原始受体高八倍以上。当添加1,8−二碘辛烷（DIO）时，可以有效改善空穴迁移率，相应器件获得了创纪录的PCE为17.11%，同时能量损失为0.497 eV。

图2.热处理对分子性质的影响

图3.器件结构与光伏性能

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文献总结

综上，该工作设计了对TA处理不敏感的新型高效小分子给体，可以同时提高短路电流密度和开路电压，最终实现高PCE的ASM−OSCs，为后续的分子设计提供借鉴与参考。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Donor End-capped Alkyl Chain Length Dependent Non-Radiative Energy Loss in All-small-molecule Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，小分子给体，分子设计，分子堆积。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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