青岛能源所包西昌课题组AM：通过调节多维分子间相互作用，有机太阳能电池效率超过19%

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前言回顾

由于对光伏材料和器件工程的创新研究，有机太阳能电池（OSCs）现已取得了显著进展。单结OSCs器件已经实现了高于19%的功率转换效率（PCE）。此外，关于器件形态学控制、能量损失、光物理分析和光子利用的研究提高了人们对光电转换过程的理解，并推动了OSCs的发展。基本的分子间相互作用是非常重要而且普遍存在的，然而，目前它们对OSCs的复杂影响尚未得到全面研究。

OSCs中普遍存在分子间相互作用，包括相同和不同分子之间的相互作用。除了不同层之间的相互作用外，由于涉及热力学和动力学程序的多组分混合体系，分子间相互作用在异质结活性层中扮演着复杂的角色。目前，一些研究清楚地证明了光电转换中分子间相互作用的关键和基本功能。然而，大多数研究都集中于一种特定类型的相互作用，而忽略了活性层中多种分子间相互作用的协同影响。尽管这些多元相互作用更加复杂和难以捉摸，但它们必然共同支配着形态、激子/电荷行为和最终的器件效率。因此，为了深入了解OSCs中的结构-功能关系，仍然非常需要对相互作用进行系统研究。

图1.相关受体的结构与性质

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文献简介

基于以上内容，中科院青岛生物能源与过程研究所包西昌研究员、李永海副研究员团队一直致力于确定受体、二元和三元OSCs中分子间相互作用的多重作用。在最新发表的工作中，研究人员通过侧链异构化显著地改变了从烷基苯基到苯基烷基的相互作用，其中大体积苯基的朝向远离π主链时，就可以调整π–π堆叠距离，并调节与相邻分子的相互作用位点。然后，研究人员通过改变端基来巧妙地调控分子间的交互作用，他们将烷基苯基和苯基烷基连接受体分别分类为ITIC系列和LA系列。通过单晶测量和理论分析，可以确定LA系列受体中具有显著增强的“面对面”相互作用，这主要得益于更近的分子间距离和苯基末端对相邻分子的额外贡献。更有趣的是，利用CPTCN作为端基的LA23表现出最强的相互作用，以及高度有序的分子组装，呈“面对面”取向，并表现出合理的电子传输能力。此外，ITIC系列受体的苯基与给体PM6骨架提供了多种额外的相互作用，从而提供了更强的D/A相互作用和混溶形态。

图2.不同器件的光伏性能比较

相比之下，PM6/LA体系中的相互作用有助于优化相分离和本体异质结微结构，以实现稳健的电荷传输并抑制复合损耗和陷阱态密度，最终PCE超过14%，高于PM6/ITIC系列（<13%）。研究人员进一步将这些受体引入PM6:BTP-eC9主体系中，从而研究三元体系中相互作用的后续演变。BTP-eC9和LA系列受体之间相对温和的相容性和分子间相互作用以及它们同样高的结晶度产生了良好的“合金状”受体相，这进一步优化了三元体系中的分子取向和激子/电荷行为。因此，基于LA21、LA22和LA23的三元OSCs器件的PCE分别为18.71%、18.06%和19.12%，具有最高效率的基于LA23的器件主要归因于综合因素，包括合适的能级排列、更高的结晶度、更合适的主客体相互作用、精炼的“合金状”相和三元形态。这些发现加深了对分子间相互作用的理解，并突出了活性层中多维相互作用的操纵，以制造更高性能OSCs器件。

图3.三元器件的光伏性能以及相关表征

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文献总结

综上，在这项研究中，研究人员强调了多维相互作用对二元和三元活性层的聚集细节和光伏性能的重要性。此外，所提出的相互作用机制将有助于从分子间相互作用的角度合理设计高效材料。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Over 19% Efficiency Organic Solar Cells by Regulating Multidimensional Intermolecular Interactions”。

本文关键词：有机太阳能电池，三元器件，分子堆积，结构设计。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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