山東大高珂AFM：垂直相梯度促進(jìn)激子解離動(dòng)力學(xué)，獲 17.66%效率高效ASM OSCs

主要內(nèi)容

山東大學(xué)高珂教授、孫延娜副教授與山東理工大學(xué)馮奕鈺教授強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，共同率領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)聚焦全小分子有機(jī)太陽(yáng)能電池（All - Small - Molecule Organic Solar Cells, ASM OSCs）展開(kāi)了深入且系統(tǒng)的研究。

在 ASM OSCs 的研究體系中，小分子給體（Small - Molecule Donors, SMDs）和小分子受體（Small - Molecule Acceptors, SMAs）由于自身結(jié)構(gòu)具有高度均一性，這種特性從本質(zhì)上對(duì)電池的形貌優(yōu)化以及效率提升形成了制約。在此背景下，合理的分子工程策略顯得尤為關(guān)鍵。通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)堆積結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及對(duì)形貌的有效調(diào)控，進(jìn)而改善激子解離動(dòng)力學(xué)過(guò)程，最終提升器件的整體性能。

盡管當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了頗為顯著的進(jìn)展，然而，針對(duì)小分子受體末端多鹵化與激子解離機(jī)制、垂直組分梯度之間復(fù)雜關(guān)聯(lián)性的探索，尤其是在高性能 ASM OSCs 這一細(xì)分領(lǐng)域，相關(guān)研究仍然十分匱乏。

鑒于此，該團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)并采用了兩種帶有不同鹵素末端的噻吩并[3,2 - b]噻吩功能化小分子受體，通過(guò)定制化的分子結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)且深入地研究了末端多鹵化對(duì)分子堆積行為以及激子/電荷動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明，基于多鹵化 6TR - FBr 的共混物呈現(xiàn)出獨(dú)特的垂直自分層結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)為底部區(qū)域富集給體材料，上部區(qū)域富集受體材料，并且分子在該結(jié)構(gòu)中的堆積更有序、更緊密。這種特殊的結(jié)構(gòu)特征使得該共混物在激子解離和電荷傳輸方面表現(xiàn)出色，不僅促進(jìn)了激子的有效解離，加速了電荷的傳輸過(guò)程，同時(shí)還顯著抑制了雙分子復(fù)合現(xiàn)象的發(fā)生。

基于上述重要研究成果，基于 DAPor - DPP:6TR - FBr 的二元 ASM OSCs 實(shí)現(xiàn)了 17.05%的效率提升。為了進(jìn)一步挖掘電池的性能潛力，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步引入 6TIC 作為結(jié)晶度調(diào)節(jié)劑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，引入 6TIC 后，電池效率提升至 17.66%，這一成績(jī)?cè)谀壳耙褕?bào)道的高性能 ASM OSCs 中處于領(lǐng)先地位。

團(tuán)隊(duì)并未止步于此，而是繼續(xù)深入探究背后的作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，引入末端多鹵化這一操作，能夠系統(tǒng)地揭示分子構(gòu)型、垂直相梯度與分子間堆積之間的內(nèi)在關(guān)系，并從根本上剖析它們與激子解離動(dòng)力學(xué)以及 ASM OSC 性能之間的復(fù)雜聯(lián)系。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)在 6T - 2R 主鏈上引入?yún)f(xié)同的氟（F）/溴（Br）雙取代基時(shí)，可以精準(zhǔn)調(diào)控受體 6TR - FBr 的聚集行為，同時(shí)優(yōu)化活性層內(nèi)的分子間π - π堆積結(jié)構(gòu)。這些分子間作用力如同無(wú)形的“手”，促使 DAPor - DPP:6TR - FBr 共混物自發(fā)形成垂直分層結(jié)構(gòu)，使得富給體相和富受體相能夠沿著垂直軸有序分離，并且在分離的同時(shí)保持更緊密的π - π堆積狀態(tài)。

最終，在這種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)下，DAPor - DPP:6TR - FBr 共混物成功實(shí)現(xiàn)了有效的激子解離、高效率的電荷傳輸以及顯著抑制的電荷復(fù)合，使得二元器件效率達(dá)到 17.05%。而引入與 6TR - FBr 結(jié)構(gòu)相似的 6TIC 作為結(jié)晶度調(diào)節(jié)劑后，進(jìn)一步將光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）提升至 17.66%。基于這些研究成果，該團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單而有效的策略：將末端多鹵化取代基作為“形貌導(dǎo)向基團(tuán)”，這一策略為調(diào)控體相異質(zhì)結(jié)形貌和提升器件性能開(kāi)辟了一條全新的途徑，有望推動(dòng) ASM OSCs 領(lǐng)域向更高性能的方向發(fā)展。