有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)因其輕質(zhì)、柔性及半透明等優(yōu)異特性，在可穿戴電子、光伏建筑/農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，非富勒烯受體的快速發(fā)展極大地推動(dòng)了OSCs性能的提升。對(duì)于受體分子而言，其光電惰性的側(cè)鏈對(duì)于調(diào)控共軛骨架自組裝及相分離具有重要作用。但常規(guī)烷基側(cè)鏈和芳基側(cè)鏈在材料結(jié)晶性和組分兼容性之間具有明顯的“trade-off”，往往導(dǎo)致相分離不理想。
 

　　為解決這個(gè)問(wèn)題，青島能源所先進(jìn)有機(jī)功能材料與器件研究組在已有“側(cè)鏈外圍功能化”設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上，通過(guò)在共軛骨架上的柔性鏈段外圍引入功能基團(tuán)，有效平衡了結(jié)晶性與兼容性之間的矛盾。該設(shè)計(jì)策略兼具普適性和多功能性，已被國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)采納，并在高效穩(wěn)定有機(jī)光伏的研究中發(fā)揮著重要作用。
 

　　此前研究中，團(tuán)隊(duì)主要均用苯基作為外圍功能基團(tuán)調(diào)控有機(jī)共軛分子的聚集態(tài)。苯基作為一種整體呈現(xiàn)弱電負(fù)性的共軛基團(tuán)，更多發(fā)揮未阻作用，調(diào)節(jié)分子自組裝，同時(shí)作為共軛平面參與分子間π-π作用構(gòu)建及空間超共軛效應(yīng)。為了進(jìn)一步明確描述分子外圍強(qiáng)電子效應(yīng)的功能特性，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入具有強(qiáng)電負(fù)性的苯并三氮唑(BTz)進(jìn)行外圍功能調(diào)控，并基于一鍋法得到了兩類BTz異構(gòu)體(圖1)。研究結(jié)果不僅證實(shí)了外圍基團(tuán)對(duì)分子堆積、給受體相互作用及共混形貌的多重影響，還揭示了外圍缺電子基團(tuán)通過(guò)分子內(nèi)相互作用誘導(dǎo)主骨架電子云分布重排，進(jìn)而顯著調(diào)控異質(zhì)結(jié)能量景貌及非輻射能量損失(ΔEnr)的作用機(jī)制。由于ΔEnr的顯著差異(0.30 eV vs 0.22 eV)，兩個(gè)外懸異構(gòu)化的受體分子YBTz-1和YBTz-2表現(xiàn)出大相徑庭的光伏性能(14.7% vs 19.1%)。同時(shí)，YBTz-2受體的低非輻射能損特性使其在多組分器件中具有很好應(yīng)用。將YBTz-2進(jìn)行摻雜后，可以在保持開(kāi)路電壓基本不變的前提下，顯著改善三組分異質(zhì)結(jié)的納米形貌，同時(shí)提高器件的短路電流密度和填充因子，實(shí)現(xiàn)了19.9%的高轉(zhuǎn)換效率。
 

圖1?分子外圍強(qiáng)電子效應(yīng)功能基團(tuán)異構(gòu)化研究
 

　　此外，研究還發(fā)現(xiàn)外圍功能基團(tuán)介導(dǎo)的受體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和活性層相分離動(dòng)力學(xué)的同時(shí)優(yōu)化，降低了YBTz-2器件活性層的缺陷態(tài)密度和亞穩(wěn)態(tài)分布，提高了光伏電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，光伏器件在連續(xù)加熱工況下T80%超過(guò)2000小時(shí)。相關(guān)研究不僅拓展了外圍基團(tuán)的功能特性，還為解決有機(jī)光伏的效率瓶頸-非輻射能量損失過(guò)高提供了重要參考。
 

　　相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Energy & Environmental Science期刊。論文第一作者為博士生王曉寧，通訊作者為包西昌研究員、李永海副研究員及畢富珍助理研究員。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、及山東能源研究院專項(xiàng)基金等項(xiàng)目資助。