有機(jī)太陽(yáng)能電池作為新一代太陽(yáng)能電池技術(shù)近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。相比較于傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池具有成本低、柔性、可大面積印刷制備等優(yōu)點(diǎn)。
目前制備高效有機(jī)太陽(yáng)能電池的主流策略是使用聚合物給體和非富勒烯受體材料構(gòu)建活性層。但聚合物材料在制備過(guò)程中通常存在分子量和分散度難以精確控制、難提純、材料的批次穩(wěn)定性差等問(wèn)題，相應(yīng)制備的有機(jī)太陽(yáng)能電池效率的重復(fù)性降低，不利于大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
而有機(jī)小分子的分子量確定，可以精確合成，易于提純，批次穩(wěn)定性好，有利于大規(guī)模制備。因此，全小分子有機(jī)太陽(yáng)能電池具有較高的商業(yè)化應(yīng)用潛力。但由于全小分子電池給體和受體都為小分子結(jié)構(gòu)，使得其難以形成像聚合物薄膜那樣較為理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)形貌。過(guò)強(qiáng)的給體結(jié)晶會(huì)使給體與受體嚴(yán)重共混，而太弱則不利于給體分子間緊密的π-π堆積，從而降低電荷傳輸。所以全小分子電池中難以調(diào)控的相形貌，致使其光電轉(zhuǎn)化效率一直處于較低水平。
近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有13.34%光電轉(zhuǎn)化效率的非富勒烯全小分子有機(jī)太陽(yáng)能電池，這是目前已報(bào)道的全小分子有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高效率之一。
研究發(fā)現(xiàn)使用雙氟原子修飾基于苯并二噻吩(BDT)單元的小分子給體的側(cè)基，能有效提升器件電壓，降低分子結(jié)晶性，改善相分離形貌；同時(shí)氟原子的引入能促使分子間更緊密的π-π堆積，從而使器件的效率獲得顯著提升。
該研究進(jìn)一步系統(tǒng)分析了不同取代位置和個(gè)數(shù)的氟化對(duì)于器件性能和分子堆積的影響，發(fā)現(xiàn)單氟取代對(duì)小分子的π-π堆積影響較小，并且其主要通過(guò)降低分子的HOMO能級(jí)來(lái)提升器件性能。
而B(niǎo)DT連接的上下噻吩側(cè)基的雙氟化，則有利于形成F-H的非價(jià)鍵力作用，分子扭轉(zhuǎn)角最小，最利于材料的共軛平面堆積，進(jìn)而得到最高的光電轉(zhuǎn)化效率。相關(guān)成果以13.34%Efficiency Non-fullerene All-Small-Molecule Organic Solar Cells Enabled by Modulating the Crystallinity of Donors via a Fluorination Strategy為題發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志上。
