近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義團隊在前期高效率和柔性有機太陽能電池研究的基礎(chǔ)上(Nature Photonics, 2015, 9, 520; Advanced Materials, 2018, 30, 1800075; Advanced Materials, 2019, 31, 201902210; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2808.)，在高效率有機太陽能研究中取得了新進展。該團隊設(shè)計合成了新型苯基取代苯并二噻吩(BDT)為中心核的小分子給體，通過三元共混策略引入D18-Cl:Y6體系，獲得單結(jié)剛性18.5%和柔性15.9%的效率，是目前公開報道的單結(jié)剛性和柔性有機太陽能電池的最高效率之一。
該研究中，研究人員分別以二噻吩并噻咯(DTS)和環(huán)戊二噻吩(DTC)為π電子連接單元，合成了小分子給體G19和G17。由于較長的C-Si鍵減小了位阻(C-Si vs C-C:1.87Å vs 1.53Å)，G19在In Plane方向上表現(xiàn)出很強的π-π堆積峰，展現(xiàn)出強的edge-on取向，G17則表現(xiàn)出各向同性的特點。通過三元策略摻入D18-Cl:Y6體系，基于G19的三元器件獲得了18.53%的效率，G17的效率略微下降至17.13%。高度有序的小分子給體客體G19的引入較好調(diào)控了薄膜的形貌，使得三元共混薄膜能夠形成很強的π-π堆積，顯著提高了OSCs的填充因子。與基于D18-Cl:Y6的二元器件相比，三元器件電流密度的增加可歸因于光譜的互補吸收以及可以形成更好的異質(zhì)結(jié)形貌，且客體的引入為電荷解離和提取提供了更多通道。同時，基于Ag NWs/PH1000/PET的柔性透明電極而制備的無ITO的器件PCE達15.9%，且具有較好的機械穩(wěn)定性，在1000次連續(xù)循環(huán)彎曲(彎曲半徑r=3 mm)后仍能夠保持初始PCE的93%。
相關(guān)研究成果以Small Molecular Donor Guest Achieves Rigid 18.5% and Flexible 15.9% Efficiency Organic Photovoltaic via Fine-tuning Microstructure Morphology為題，發(fā)表在Joule上。研究工作獲得國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項、中科院前沿科學(xué)研究重點項目等的支持。
（a）G17和G19的分子式；（b）G17和G19的GIWAXS表征；（c）D18-Cl:G19:Y6三元剛性和柔性器件的J-V曲線
