孙艳明&刘烽Nature Energy：最高纪录！有机太阳能电池效率突破18%！

▲通讯作者：孙艳明教授、刘烽

▲单位：北京航空航天大学、上海交通大学

溶液处理体异质结有机太阳能电池(OSCs)由于具有成本低、重量轻、透明和灵活等优点，已成为无机太阳能电池的一种有前途的替代品。非富勒烯受体(NFAs)可以更好地利用长波长吸收和优化电子结构，从而提高光电流密度和输出电压，显著提高OSCs的功率转换效率(PCE)。

因此，使用Y6型受体的OSCs已获得超过18%的PCE。然而，与无机和钙钛矿太阳能电池相比，OSCs表现出高能量损失(E_loss)和低填充因子(FF)，这阻碍了器件性能。系统优化设计合适的材料是解决这些问题的关键。

NFAs的快速发展为OSCs带来了新的机遇，降低电荷产生的驱动力可以有效地提高开路电压(Voc)，适当的形貌和电荷输运可以使OSCs具有高的开路电压和超过75%的FFs。这种势头应该继续下去，并延伸到进一步操纵材料的性质。器件损耗和FF的复杂性不仅表现在电子结构上，还表现在形态上，其中涉及到分子的有序、相分离和混合。因此，他们将材料构建的范式转向了分子间相互作用的控制，并试图从中找到控制分子间偶联和载流子输运的途径，以改善FF，抑制损耗。

非富勒烯受体的分子设计对于高效有机太阳能电池至关重要。支链改性通常被认为是一种反直觉的方法，因为它可能引入一个不期望的空间位阻，减少非富勒烯受体的电荷传递。本研究利用支链烷基链取代Y6基二硫代噻吩[3,2-b]-吡咯苯并噻吩二唑核上噻吩单元的β位置，设计合成了一个高效的非富勒烯受体家族。他们显示了蓝移光吸收，减少带隙和向上移动的最低未占据分子轨道(LUMO)能级，这有可能提高器件性能。他们研究了单晶体中分子的精确排列，主链相互作用发生了系统性的变化。并记录了晶体和薄膜中不同的结晶行为。研究发现，这种对不同烷基链长度的修饰可以完全改变非富勒烯受体的分子堆积行为，从而改善薄膜中的结构秩序和电荷输运。单结有机太阳能电池的效率达到了前所未有的18.32%(认证值为17.9%)，填充系数达到了81.5%。

本研究揭示了支链烷基链拓扑结构在调节分子填料和共混形态中的重要性，从而提高有机光伏性能。

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图1. 分子结构，光物理性质和光伏性质

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图2. NFAs的单晶结构和分子填充特性

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图3. 共混膜的形貌表征

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图4. PM6:NFA太阳能电池的能量损失分析

链接

Li, C., Zhou, J., Song, J. et al. Non-fullerene acceptors with branched side chains and improved molecular packing to exceed 18% efficiency in organic solar cells. Nat Energy (2021).

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00820-x

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