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2022年5月5日，國際知名學術期刊Nature Materials刊發(fā)了上海交通大學化學化工學院劉烽教授團隊及合作者在有機太陽能電池領域的最新研究成果“雙纖維網(wǎng)絡形貌助力單結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化工學院博士后研究員朱磊，博士生張明、徐錦秋為論文第一作者，上海交通大學劉烽教授、北京航空航天大學孫艷明教授以及帝國理工顏駿博士為通訊作者。上海交通大學化學化工學院、變革性分子前沿科學中心、物質科學原位中心、氫科學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域具有重要的應用前景，近年來由于新材料的開發(fā)，器件的光電轉換效率不斷提高，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），以及有機半導體薄膜較低的遷移率，給受體共混異質結薄膜形貌一直是影響器件性能的關鍵因素。有機光伏薄膜形貌受熱力學因素和動力學過程的雙重影響，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分子進行結構優(yōu)化，設計合成了性能更優(yōu)的L8-BO受體：通過引入弧外長支化側鏈增強烷基側鏈間相互作用，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構，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）。這些性質使得L8-BO易于形成長針狀的單晶結構，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構。

L8-BO與PM6共混構筑的有機薄膜光伏器件展現(xiàn)了突出的光電轉換效率（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晶性質，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)絡結構，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，降低復合常數(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?，且共混相較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)的分子取向和結晶特性。D18的加入提高了活性層薄膜的結晶性和晶體尺寸，提高了纖維品質。結合多邊共振軟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)絡策略對激子擴散、電荷轉移以及載流子傳輸?shù)冗^程的改善。雙纖維網(wǎng)絡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，降低了復合損失常數(shù)。

通過雙纖維網(wǎng)絡策略制備的有機太陽能電池光電轉換效率達到19.6%，填充因子接近82%（圖4），并獲第三方獨立機構福建省計量科學研究院國家光伏產(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，研究團隊總結了構筑雙纖維形貌結構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孫艷明教授，帝國理工學院Jenny Nelson教授、顏駿博士，浙江大學朱海明研究員以及上海交通大學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基金委、科技部、上海市科委、山東省科學基金的資助。