全小分子有机光伏电池的能量转化效率突破15%

有机光伏（OPV）电池可采用溶液印刷法制备大面积柔性面板，是一种具有广阔应用前景的新型光伏技术。OPV电池活性层可以由聚合物或小分子材料构成。相比于聚合物材料，小分子材料具有纯度高、分子结构和分子量明确、材料批次差异小、迁移率高、能量无序度低等优点，因此，全小分子有机太阳能电池有望获得更高的光伏效率。然而，由于全小分子有机太阳能电池中相分离尺度难以调控，使其电荷分离和传输受限，导致全小分子太阳能电池的能量转换效率目前仍明显低于聚合物太阳能电池。

最近，中国科学院化学研究所侯剑辉课题组与国家纳米科学中心魏志祥课题组合作，围绕小分子OPV材料与器件的研究取得了重要进展。中国科学院化学研究所的秦金钊同学、何畅研究员、安存彬博士等人以及国家纳米中心的张建齐博士参与了该工作。研究人员采用苯环侧基取代的苯并二噻吩（BDT）作为核心基团构筑A-π-D-π-A型小分子给体B1（见图1）。

图1. 材料化学结构、活性层形貌示意图

相对于其他噻吩侧基取代的给体分子，新给体B1具有更强的分子间π-π相互作用。他们采用挥发性较弱的高沸点溶剂氯苯，对活性层进行溶剂退火优化，最终实现了活性层形貌的有效调控，大幅提升了活性层中电荷分离和传输的效率，获得了能量转换效率高达15.3%的全小分子有机太阳能电池，该效率经中国计量院（NIM）认证为15.1%，这是目前已报道的全小分子太阳能电池的最高效率。该工作发表在Science China Materials上（DOI：10.1007 / s40843-020-1269-9）。

该研究通过给体分子结构设计，构筑了具有多级次相分离形貌的光伏活性层，增强了电荷分离和传输效率，取得了小分子OPV电池能量转换效率的突破。不仅加深了对全小分子体系的分子设计和形貌调控的认识，而且将有助于全小分子OPV电池性能的进一步提高。

15.3% efficiency all-small-molecule organic solar cells enabled by symmetric phenyl substitution. Jinzhao Qin, Cunbin An, Jianqi Zhang, et al. SCIENCE CHINA Materials; doi: 10.1007/s40843-020-1269-9