基于非富勒烯受体Y6的高效有机光伏器件——单晶、形貌及器件物理研究

课题组通过对非富勒烯受体Y6的单晶结构解析、薄膜形貌及器件物理等方面的细致探究，揭示了Y6作为新一代明星受体分子取得高效率的原因。基于非富勒烯受体Y6的器件性能高度依赖于Y6的晶体堆积和共混膜形貌。通过对Y6单晶结构的分析，发现Y6的香蕉状结构和分子间的π-π相互作用使其形成了一个类似聚合物的共轭分子链，并最终在晶格的有序排列下形成了二维电子输运网络。由于其face-on的堆积方式使得这种类似聚合物的共轭主链沿着out-of-plane方向倾斜、延伸，改善了垂直方向的电荷传输。同时，器件性能在很大程度上取决于薄膜形貌，加工溶剂和热退火可以调节晶体堆积方式和结晶性。通过优化二者，可以实现开路电压、短路电流和填充因子的最佳平衡，从而获得16.88%的器件效率。这种形貌结构改善了载流子的传输及电子、空穴的超快转移。利用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）、共振软X射线散射（R-SoXS）、透射电子显微镜（TEM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）等表征方法详细研究了薄膜形貌，建立了结构、性能的构效关系。这项工作对高效率有机太阳能电池体系从材料结构解析到器件优化进行了全面细致的分析，揭示了薄膜形貌的重要性以及形貌对器件性能的影响机制，有助于进一步推动有机太阳能电池领域的发展。该成果发表在Advanced Energy Materials （DOI: 10.1002/aenm.201904234）上。