有机太阳能电池在制备柔性、半透明以及室内光伏等方面具有突出优势。相比于聚合物半导体光伏材料，有机小分子半导体光伏材料具有结构确定、易于纯化等优点。然而，由于基于小分子给体和小分子受体的全小分子体系活性层形貌调控方面的困难，全小分子有机太阳能电池（SM-OSC）的光电转换效率落后于聚合物太阳能电池（PSC）。因此，深入研究小分子结构与活性层形貌以及光伏性能之间的关系、对于实现高效的全小分子有机太阳能电池至关重要。 

　　在国家自然科学基金委和中科院先导项目等的支持下，中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室李永舫课题组2017年报道了以噻吩取代苯并二噻吩（BDTT）为核的受体-给体-受体（A-D-A）型小分子给体材料SM1（分子结构见图1），基于SM1为给体、IDIC为受体的SM-OSC的能量转换效率达到10.11%，为当时非富勒烯SM-OSC的最高效率（Chem. Mater.2017,29, 7543. 第一作者为博士生邱贝贝）。最近，他们在此基础上又设计和合成了两个SM1的BDTT单元的噻吩共轭侧链上具有不同取代基的小分子给体材料SM1-S和SM1-F，其中SM1-S是将SM1噻吩共轭侧链上的烷基换成烷硫基、SM1-F是将SM1噻吩共轭侧链上再增加一个氟原子取代（分子结构见图1），并深入研究了噻吩共轭侧链上的取代基对小分子给体材料的电子能级、聚集形貌以及使用Y6为受体的光伏性能的影响。他们发现，烷硫基取代和氟原子取代使小分子给体的HOMO能级进一步降低，从SM1的-5.25 eV降低到SM1-S的-5.32 eV和SM1-F的-5.37 eV。给体HOMO能级的降低有利于对应有机太阳能电池开路电压的提高。形貌研究结果表明，小分子给体和小分子受体的聚集行为明显不同；而且，小分子给体的不同侧链会显著影响其结晶性和聚集特性，从而影响共混薄膜活性层的形貌。基于氟取代的小分子给体SM1-F的SM-OSC表现出最佳的光伏性能，使全小分子有机太阳能电池的效率达到14.07％（见图1）。此外，瞬态荧光结果表明热退火处理可以有效地提高SM1-F:Y6共混膜中空穴转移的速度。飞秒瞬态吸收的结果表明，热退火处理之后，SM1-F:Y6薄膜的空穴转移数量提高到两倍以上。这项研究工作不仅实现了高效的全小分子有机太阳能电池，而且还对侧链工程和热退火处理对纳米尺度形貌、光物理性质以及光伏性能的影响提供了深入清晰的理解。这对进一步开发新型有机光伏材料和优化全小分子有机太阳能电池的光伏性能具有一定的指导意义。该成果发表在Adv. Mater.2020,32, 1908373 上(论文的第一作者是博士生邱贝贝，通讯联系人是孟磊研究员和李永舫研究员) 。 

图1. 有机小分子给体光伏材料SM1,SM1-S和SM1-F以及受体光伏材料Y6的分子结构、SM1-F:Y6活性层TEM形貌和光伏性能

　　有机固体院重点实验室

2020年6月24日