纳米人-Angew：静电相互作用对高效供体-受体光伏混合物中体形貌的影响

Angew：静电相互作用对高效供体-受体光伏混合物中体形貌的影响

Nanoyu Nanoyu 2021-05-02

由混合供体（D）和受体（A）材料混合组成的体异质结被证明是有机光伏（OPV）电池最有效的器件结构。这种电池的体形貌在电荷产生、复合和传输过程中起着至关重要的作用，从而决定了器件的性能。尽管大量研究已经讨论了这些电池的形态-性能关系，但设计具有所需形态的OPV材料的方法仍然充满挑战。

近日，中科院化学研究所侯剑辉研究员，姚惠峰副研究员，天津大学叶龙教授报道了通过考虑分子静电势（ESP），建立了化学结构-形貌关系，用于指导高效OPV材料的分子设计。

文章要点

1）研究人员采用了著名的PBDB-TF（PM6）和BTP-4Cl（一种氯化的Y6衍生物）的D-A光伏混合物作为模型体系，并对非卤化聚合物供体PBDB-T和非富勒烯受体BTP0Cl进行了比较。氟和氯（F和Cl）的强吸电子性能导致分布在PBDB-TF和BTP-4Cl主链上的ESP值分别高于分布在PBDB-T和BTP-0Cl上的ESP值。结果表明，分子间相互作用强度大小顺序为：PBDB-T：BTP-4Cl>PBDB-TF：BTP4Cl>PBDB-TF：BTP-0Cl，采用量子计算和实验结果均证实了这一点。

2）一方面，PBDB-T：BTP-4Cl组合中较强的分子间相互作用有助于提高电荷的产生。然而，杂化状态下较高的电荷转移比会导致更严重的非辐射复合损失，而PBDB-T和BTP-4Cl之间的相容性增强（较低的χ值）会导致较低的畴纯度。另一方面，PBDB-TF：BTP-0Cl的结合表现出最弱的分子间相互作用强度，有利于获得最低的非辐射复合损耗和最纯净的电畴。然而，电荷产生效率低极大地限制了器件的参数。

3）采用PBDB-TF：BTP-4Cl组合，分子间相互作用的强度满足平衡电荷产生和复合的合适形貌的要求。实验结果表明，PBDB-TF：BTP-4Cl的PCE效率最高，达到了17.7%。因此，精细地调节OPV材料的ESP分布可以使它们作为有效的工具来修饰D：A光伏混合物的形貌，从而实现平衡的电荷产生和复合过程。

这项研究通过ESP调制来设计OPV材料，使其具有最佳的体相结构，从而有望将器件的PCEs推向一个新的高度。