短化烷基链对可溶性有机光伏小分子的光伏性能的影响

　　可溶性有机小分子太阳能电池具有原材料丰富、溶液可加工、柔性可折叠、可大面积印刷等优点外，相对于聚合物有机太阳能电池，还具有结构明确、不存在分子量分布、纯度高、材料重复性好的优势。因此成为太阳能电池研究的一个重要方向。可溶性有机小分子由于分子共轭链比较短，所以分子的电荷传输、吸光能力和纳米尺寸相分离的形貌主要依靠分子间自组装性能。调控烷基链是一种有效提高分子聚集能力的方法，但是在可溶性有机光伏小分子领域中缺乏足够研究。国家纳米科学中心魏志祥研究组对在短化烷基链对可溶性有机光伏小分子的吸光能力、分子能级、聚集形貌以及器件的光伏性能进行了深入的研究，相关的研究成果发表在2014年7月24日的《Advanced Energy Materials》上（http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/. 201400538 / abstract）。 

　　图1 M₁、M₂的分子结构示意图及I-V曲线。 

　　该研究组设计并合成了一个新受体单元氰基烷氧酮（RCOCH₂CN），将其应用到以苯并二噻吩（BDT）为给体单元，三噻吩为π桥的光伏小分子中得到噻吩烷基链和受体单元烷基链为8个碳原子的分子M₁，以及噻吩烷基链为6个碳原子和受体烷基链为5个碳原子的分子M₂。将这两种材料作为给体材料与PC₇₁BM共混制备太阳能电池器件，器件结构为ITO/PEDOT:PSS/活性层 (M1/M2:PC71BM)/Ca/Al。M₁和M₂具有几乎重合的溶液和膜的吸收光谱，但是，基于M₂的能量转化效率达到5.6%，其中开路电压为0.87V，填充因子为65%，电流为9.9mA/cm²；基于M₁的效率能达到5.3%，其中开路为0.94V，填充因子为70%，电流为8mA/cm²。因此，可以发现短化烷基链有助于提高短路电流和器件性能。 

　　图2 (a) M₁和M₂薄膜的面外GIXRD曲线； (b) 给受体共混膜 M₁:PC₇₁BM (1:1.2, w/w) 和M₂:PC₇₁BM (1:1.2, w/w) GIXRD曲线。 

　　为了揭示器件性能提高的真正原因，利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1A-漫散射实验站的掠入射X射线衍射（GIXRD）测试了M₁和M₂ 的单一相和与PC₇₁BM共混相的结晶情况。分析得出不管是单一相还是共混相，短化烷基链有助于分子更紧密的堆积。单一相中，M₁和M₂ 都具有较好的结晶性能，但是在共混相中M₂的结晶半峰宽更窄，结晶性更好，π-π堆积距离更为紧密，从而提高了电荷在共混相中传输能力，减少了电荷复合，进而提高了短路电流和器件效率。 

　　此研究设计了一个也很有潜力的受体单元，并且对于烷基链对器件性能影响的研究对以后的可溶性分子设计和器件优化有很大的借鉴意义。在该研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组理解了深层次的烷基链效应。国家纳米科学中心研究员，该研究组组长魏志祥研究员这样描述他们的工作：“对于有机太阳能电池结构，分子聚集和形貌对光伏器件性能有至关重要的影响，我们可以充分利用同步辐射的掠入射X-射线散射的表征手段更加深一步的将形貌与结构建立起更加直接的联系，必定会对我们优化分子设计，进一步提高光伏性能起到至关重要的作用。”

　　发表文章： 

　　Dan Deng, Yajie Zhang, Liu Yuan, Chang He^*, Kun Lu^* and Zhixiang Wei^*, Effects of Shortened Alkyl Chains on Solution-Processable Small Molecules with Oxo-Alkylated Nitrile End-Capped Acceptors for High-Performance Organic Solar Cells. Adv. Energy Mater., 2014, 4, 1400538-1400545.