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2022年5月5日，國際知名學(xué)術(shù)期刊Nature Materials刊發(fā)了上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉烽教授團隊及合作者在有機太陽能電池領(lǐng)域的最新研究成果“雙纖維網(wǎng)絡(luò)形貌助力單結(jié)有機太陽能電池效率超過19%”（Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology）?；瘜W(xué)化工學(xué)院博士后研究員朱磊，博士生張明、徐錦秋為論文第一作者，上海交通大學(xué)劉烽教授、北京航空航天大學(xué)孫艷明教授以及帝國理工顏駿博士為通訊作者。上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、變革性分子前沿科學(xué)中心、物質(zhì)科學(xué)原位中心、氫科學(xué)中心為第一完成單位。

有機太陽能電池在光伏建筑和柔性電子器件等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，近年來由于新材料的開發(fā)，器件的光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高，正逐步追趕硅基太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池。由于有機半導(dǎo)體中激子的本征物理特性（庫倫束縛、擴散漂移、界面解離），以及有機半導(dǎo)體薄膜較低的遷移率，給受體共混異質(zhì)結(jié)薄膜形貌一直是影響器件性能的關(guān)鍵因素。有機光伏薄膜形貌受熱力學(xué)因素和動力學(xué)過程的雙重影響，因素多，調(diào)控難度大。劉烽教授團隊在高效率Y6類受體的形貌研究中發(fā)現(xiàn)了其特殊的類聚合物堆積形態(tài)，并在此基礎(chǔ)針對分子組裝形態(tài)與多尺度形貌優(yōu)化開展了一系列的工作（Adv. Energy Mater.10, 1904234, 2020; Adv. Mater.33, 2007177, 2021; Nat. Commun.12, 309, 2021）。同時，團隊與合作者對Y6分子進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計合成了性能更優(yōu)的L8-BO受體：通過引入弧外長支化側(cè)鏈增強烷基側(cè)鏈間相互作用，調(diào)整分子在晶格中的組合序列，使分子堆積更加緊密。這種特殊的多重分子間作用力，使得多個鄰近二聚體交織形成了大長徑比的組裝結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)長周期的對稱性，并且對局部排列缺陷具有更高的耐受性（圖1）。這些性質(zhì)使得L8-BO易于形成長針狀的單晶結(jié)構(gòu)，且在薄膜中保留了這種大長徑比的自組裝特性，更易于形成似聚合物的纖維狀結(jié)構(gòu)。

L8-BO與PM6共混構(gòu)筑的有機薄膜光伏器件展現(xiàn)了突出的光電轉(zhuǎn)換效率（Nat. Energy6, 605–613, 2021）。研究發(fā)現(xiàn)普通的二元共混薄膜中仍存在激子和載流子擴散能力不平衡的問題，并且活性層中的雙纖維網(wǎng)絡(luò)特征尺寸不能適配光電物理參數(shù)，因此效率方面仍有提升空間。研究團隊將D18作為第三元組分加入二元共混體系中，協(xié)同改善給受體纖維的結(jié)晶性質(zhì)，平衡給受體端激子和載流子的擴散長度（圖2），使得器件多維參數(shù)適配性顯著提高。同時，D18的加入促進形成了更加密集的雙纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維間隙中的共混相特征尺寸僅為5 nm，能更好的適配激子和載流子的傳輸性質(zhì)，降低復(fù)合常數(shù)。密集的給受體纖維交織形成了電子和空穴傳輸?shù)母咚偻ǖ溃夜不煜噍^小的特征尺寸能更好地與激子載流子的擴散能力匹配，保證解離后的載流子能快速擴散到晶區(qū)進行傳輸，因此獲得了效率的顯著提升。

利用AFM-IR分別表征了給體相和受體相的纖維網(wǎng)絡(luò)形貌（圖3）。采用掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）表征了薄膜內(nèi)的分子取向和結(jié)晶特性。D18的加入提高了活性層薄膜的結(jié)晶性和晶體尺寸，提高了纖維品質(zhì)。結(jié)合多邊共振軟X射線散射（MK-RSoXS）量化了共混區(qū)尺度和界面取向。通過光物理、器件物理和漂移擴散模擬等手段定量分析了雙纖維網(wǎng)絡(luò)策略對激子擴散、電荷轉(zhuǎn)移以及載流子傳輸?shù)冗^程的改善。雙纖維網(wǎng)絡(luò)形貌的特征尺度與光物理核心參數(shù)的良好匹配，實現(xiàn)了激子、載流子的高效率利用，降低了復(fù)合損失常數(shù)。

通過雙纖維網(wǎng)絡(luò)策略制備的有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率達到19.6%，填充因子接近82%（圖4），并獲第三方獨立機構(gòu)福建省計量科學(xué)研究院國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心的認證（NPVM：19.2%），是目前有機太陽能電池單結(jié)器件報道的最高效率?；陔p纖維形貌的形成機制，研究團隊總結(jié)了構(gòu)筑雙纖維形貌結(jié)構(gòu)的材料選擇原則并驗證了其普適性，該工作實現(xiàn)了有機光伏薄膜形貌特征尺度與光物理核心參數(shù)的匹配，為后續(xù)高效率有機太陽能電池的制備提供了新思路。

該工作得到了北京航空航天大學(xué)孫艷明教授，帝國理工學(xué)院Jenny Nelson教授、顏駿博士，浙江大學(xué)朱海明研究員以及上海交通大學(xué)陳俊超副教授的大力支持。同時該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委、山東省科學(xué)基金的資助。