与传统硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池具有成本低、能量回收期短、原材料丰富、重量轻、便携、柔性和透明等突出优点，有潜力开拓太阳能电池新的应用领域，近些年来倍受科研界和工业界关注。在有机太阳能电池的发展历程中，基于有机电子给体/受体共生的体异质结结构一直引领领域前沿。体异质结吸光活性层的纳米尺度形貌与激子扩散与解离、载流子电荷传输和电荷收集等物理过程密切相关，是影响有机太阳能电池器件效率的重要因素。因此，调控活性层形貌与设计合成高效的有机光电材料占有同等重要的地位。

  在基于目前报道的高效率明星聚合物给体/非富勒烯受体体异质太阳能电池结体系（PM6：Y6）的研究中，博士后研究员严岑琪博士发现，通过添加少量向列型液晶小分子给体材料BTR，可以进一步优化活性层的纳米尺度形貌，成功构筑了基于PM6：BTR：Y6 的三元有机太阳能电池。PM6和 BTR具有相同的苯并噻二分结构单元，能保证材料的相容性,契合于其前期在多元聚合物给体/富勒烯受体电池的指导性研究（Nature Photonics 2015, 9, 190-198）。并且，液晶小分子BTR具有长程有序的排列和强结晶性，具有改善活性层结晶的潜力。实验表明,通过添加5% 质量分数的BTR，就足以显著改善活性层的结晶性。与绝大多数文献报道不同，微量的BTR分子在其中起到了形核剂的作用，在明显提高结晶性的同时，给受体相分离尺度反而稍有减小。因此，引入BTR第三组分得以延长载流子寿命，缩短光电流衰减时间，促进激子解离，电荷传输和收集，最终将光电能量转换效率由15.7% 提高至16.6%。结果表明，液晶小分子给体材料和聚合物给体材料的协同作用能够精细调节活性层形貌并改善器件性能，为活性层的形貌优化提供了新思路。工作近期发表于Advanced Science（AS）期刊 (“Synergy of Liquid-Crystalline Small-Molecule and Polymeric Donors Delivers Uncommon Morphology Evolution and 16.6% Efficiency Organic Photovoltaics” Adv. Sci. 2020, 2000149 DOI：10.1002/advs.202000149）。

图1. a）PM6，BTR和Y6的化学结构式。b) 能级分布图。c) 有机太阳能电池的器件结构。

图2 a）PM6，BTR和Y6材料的吸收谱图。二元及最优三元器件的b）电流密度-电压（J–V）曲线, c) 外量子效率（EQE）曲线, d) 光电流密度- 有效电压（J_ph-V_eff）曲线, e) 瞬态光电压曲线, f）瞬态光电流曲线。

图3. a）纯膜和共混膜的二维GIXD谱图。b）纯膜的一维line-cut图。c）共混膜的一维line-cut图。

  与聚合物给体/小分子受体体系相比，基于全小分子体系的活性层形貌更难调控。全小分子有机太阳能电池器件的制备加工过程中往往需要使用热退火、溶剂退火和溶剂添加剂，以调控溶剂蒸发的动力学状态，调节活性层形貌，从而实现高的器件效率。然而，基于全小分子给体/受体体系活性层形貌对上述器件较为敏感，上述加工工艺往往会严重影响器件形貌。因此，精细调节全小分子体系的活性层形貌有待进一步的研究。李刚教授与中科院重庆绿色智能技术研究所陆仕荣教授合作，提出了精细调控溶液浓度策略来进一步优化高效率富勒烯体系“BTR：PCBM”和 非富勒烯体系“BTR-Cl：Y6”全小分子体系的活性层形貌。研究发现微调溶液浓度能够提升活性层吸光系数，精细调控活性层结晶性与相分离尺度,减少载流子复合，改善电荷传输与收集,从而将BTR-Cl：Y6非富勒烯体系的器件效率由12.9%提升至14.7%，将BTR：PCBM富勒烯体系的厚膜器件效率由9.2%提升至10.2%。本工作近期发表于Advanced Energy Materials （AEM）期刊(“Delicate Morphology Control Triggers 14.7% Efficiency All‐Small‐Molecule Organic Solar Cells”, Adv. Energy Mater. 2020,2001076 DOI: 10.1002/aenm.202001076)。

图4. a）近五年全小分子有机太阳能电池的器件效率总结。以不同浓度溶液制备的全小分子有机太阳能电池的b）J–V曲线，c）EQE谱图d）J_ph-V_eff曲线。

  三元有机太阳能电池AS文章的第一作者为香港理工大学电子及资讯工程学系博士后研究员严岑琪博士，通讯作者为李刚教授，上海交通大学刘峰教授与香港科技大学刘焘博士。

  全小分子有机太阳能电池AEM文章第一作者是香港理工大学与中科院重庆绿色智能技术研究所联合培养博士生唐骅。通讯作者为李刚教授，严岑琪博士，与中科院重庆绿色智能技术研究所陆仕荣教授。

  李刚教授现为香港理工大学钟士元爵士可再生能源教授，英国皇家化学会（RSC）Fellow， 国际光学工程学会（SPIE） Fellow.其研究组致力于有机太阳能电池，钙钛矿太阳能电池及其他光电子器件的研究。李刚教授发表了140余篇论文(含Nature 子刊及Science十余篇)，Google学术引用近6万次，单篇最高引用6千余次，17篇论文超过1千次引用。李刚教授自2014年起成为 汤森路透-科维睿安 全球高被引科学家（Highly Cited Researchers – Materials Science, Physics, Chemistry）。欢迎有志于相关研究的优秀学生报考香港理工大学博士研究生。

  论文链接：

  https://doi.org/10.1002/advs.202000149

  https://doi.org/10.1002/aenm.202001076