電子科大陶斯祿AFM:基於分子間氫鍵作用優化三元有機太陽能電池

2020-12-03 測試狗科研服務

本文主要由論文第一作者杜曉揚撰寫。在此，特別感謝電子科技大學陶斯祿教授團隊的大力支持。

【研究成果】

電子科技大學陶斯祿教授課題組通過研究三元有機太陽能電池體系中各組分分子間的相互作用，證實分子間的氫鍵作用不僅可以提升器件的效率和穩定性，同時可以改善器件對薄膜厚度及組分比例的敏感度。由形成氫鍵前後分子的ESP分析得知，氫鍵提高了富勒烯分子的靜電勢，進而促進給受體分子間的電荷解離過程。此外，本課題組通過對共混薄膜的結晶性和組分分子的堆疊性質進行研究，並證明氫鍵的存在可以有效地誘導分子排序，提升聚合物的結晶性。該研究成果推動了有機太陽能電池面向產業化的全面發展。

【研究背景】

三元有機太陽能電池相對於傳統的二元體系具有材料選擇廣泛、吸收光譜可調節等優點，是發展高效率有機太陽能電池的有效策略之一。然而目前對三元體系中組分分子間的相互作用模式尚不清楚，第三元材料及主體系材料的選擇規則尚不明確，器件的穩定性以及對組分比例和薄膜厚度的過度敏感大大阻礙了有機太陽能電池的全面發展。因此，研究三元體系中分子間的相互作用對材料的選擇及器件的製備具有指導性意義。

【圖文解析】

Figure 1. a) Hydrogen-bond-linked DIBC and PC71BM; the inset is atom label of DIBC. b) ESP distribution of hydrogen-bond-linked DIBC and PC71BM. c) Average ESP statistics of each atom on the DIBC model. d) Average ESP statistics of each atom on hydrogen-bond-linked DIBC and PC71BM model.

通常，給/受體分子的靜電勢差異是微觀激子解離的驅動力。如圖1所示，形成分子間氫鍵後，有機小分子DIBC的平均靜電勢降低，而受體分子PC71BM的靜電勢提升，主體系材料間的靜電勢差增大，促進了給受體分子界面的激子解離效率，進而提升器件的短路電流。

Figure 2. a–d) TEM and e–h) AFM images of the control and DIBC containing ternary flms; the image size of AFM is 5 m × 5 m.

第三元材料的引入，可以改善薄膜的微觀形貌。如圖2TEM和AFM分析可知，氫鍵的引入很好地改善了富勒烯分子的聚集效率，當摻雜量達到15%時，給/受體分離的域尺寸很好地控制在10-20nm,有效地抑制了電荷傳輸中的雙分子複合過程。進而提高了器件的填充因子，改善了器件的環境穩定性。

Figure 3. 2D GIWAXS patterns of a) PTB7-Th:PC71BM, b) PTB7-Th:15% DIBC:PC71BM, c) PTB7-Th:30% DIBC:PC71BM, and d) PTB7-Th:15%DOBC:PC71BM. e) Out of plane 1D GIWAXS profles for the control and DIBC-doped flms.

共混薄膜中組分分子的結晶性及堆疊性由掠入射廣角X射線衍射進行分析。如圖3所示，第三元材料的引入提升聚合物給體分子的結晶性，增強了器件的空穴傳輸能力。同時，分子的堆疊間隙由3.81埃降低到3.65埃，說明在分子間氫鍵作用的誘導下，組分分子的堆疊變得更為有序，從而提高了器件薄膜形貌的穩定性。在失去氫鍵誘導作用的情況下（圖3d），組分分子排布變得雜亂無章，對應器件的性能大幅度的降低。

【研究小結】

本工作中，我們首先通過FT-IR和2D-1HNMR測試來證實有機小分子DIBC和PC71BM在固態薄膜狀態下形成了分子間氫鍵作用。其次，將該氫鍵體系引入到三元太陽能電池中，實現了高達12.17%的光電轉換效率。於此同時，氫鍵的存在提升了器件的環境穩定性以及對溶質及薄膜厚度的容忍度。此外，通過TEM和GI-WAXS測試證明氫鍵的引入可以提高聚合物的結晶性以及有序堆疊性，誘導有機分子形成納米級網絡互穿結構，提升分子間的電荷傳輸能力。該系列研究結果證實有機太陽能電池中分子間的氫鍵相互作用在實現高效率、高穩定性、低成本及良好的容忍度方面具有巨大潛力。

【團隊介紹】

陶斯祿團隊一直致力於有機小分子材料的開發以及高性能器件的製備研究。目前主要的研究方向包括有機電致發光二級管（OLED）、有機太陽能電池（OSC）、有機薄膜電晶體（OFET）及納米材料及器件等。近年來，在基於熱激發延遲螢光OLED方面和基於有機小分子OSC方面取得一系列研究成果。（Adv. Mater. 2017, 29, 1701476；Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 9480；Adv. Funct. Mater. 2019, 1902078；Adv. Sci. 2019, 1801938；Adv. Sci. 2018, 5, 1800436；Mater. Horiz. DOI: 10.1039/c9mh00373h等）

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