【儀表網 研發快訊】近日，武漢大學高等研究院教授閔杰課題組在高效率且可溶液加工的全小分子太陽能電池研究中取得重要進展。該工作通過模塊化設計合成了具有不對稱側鏈結構的小分子給體材料，系統調控了分子間相互作用、結晶行為與活性層形貌，實現了18.12%的能量轉換效率(PCE)，創下了全小分子活性層體系的紀錄效率，且其展現出優異的加工適用性與規?；苽錆摿?。
 

　　相關成果發表于國際學術期刊Angewandte Chemie International Edition(《德國應用化學》)，論文題為“Controlled-Disorder Asymmetrical Donors Enable Efficient All-Small-Molecule Solar Cells with Excellent Solution-Processability”(《非對稱小分子給體無序控制實現高效率且可溶液加工的全小分子太陽能電池》)。高等研究院博士研究生徐林勇和高遠為共同第一作者，閔杰和副研究員孫瑞為共同通訊作者，高等研究院為唯一通訊單位。
 

研究概述
 

　　全小分子太陽能電池因其明確的分子結構與良好的批次重復性而受到廣泛關注，但其在形貌控制與工藝適應性方面存在挑戰，使得能量轉換效率與加工性能仍落后于基于聚合物材料的活性層體系。針對該問題，閔杰課題組設計合成了三種具有不同側鏈功能基團的不對稱小分子給體材料MPhS-HF、MPhS-OP和MPhS-PF。通過系統研究其光電特性、溶液行為、結晶動力學與器件性能，課題組發現含有烷氧苯基側鏈的MPhS-OP在與非富勒烯受體L8-BO共混時，表現出良好的相容性與延遲結晶行為，有助于形成納米互穿網絡結構相形貌，從而促進激子高效解離、平衡電荷傳輸并抑制復合損失。相比之下，MPhS-HF和MPhS-PF體系因為給體過早地相析出形成島嶼狀形貌，相疇尺寸較大，導致激子解離效率下降與電荷復合加劇，使其光伏參數JSC、FF和PCE均明顯低于MPhS-OP體系。
 

多種加工工藝條件下的三種活性層體系器件性能對比
 

　　在最優器件制備條件下，MPhS-OP:L8-BO活性層體系在厚膜(300 nm)、高速刮涂(29 m/min)、綠色溶劑(THF)處理及大面積器件(1 cm²)等多種實際加工條件下，仍能保持16.4%以上的效率，展現出優異的工藝耐受性與可擴展性，遠優于MPhS-HF和MPhS-PF體系。
 

　　(a)共混溶液體系在不同溶劑體積比下的混合吉布斯自由能曲線特征點；(b) MPhS-HF:L8-BO與MPhS-OP:L8-BO體系成膜機制示意圖；(c)基于給體與L8-BO特征吸收峰解析的成膜動力學過程，涵蓋氯仿溶液低速刮涂、厚膜制備與高速刮涂，以及四氫呋喃溶液低速與高速刮涂條件
 

　　課題組進一步通過熱力學模擬與原位光譜分析，揭示了MPhS-OP在成膜過程中延遲析出的動力學機制，有效抑制了過早相分離，從而在不同加工條件下實現了微觀形貌的良好重現性。該研究不僅為高效全小分子太陽能電池的材料設計提供了新思路，也為其從實驗室走向產業化提供了關鍵方案。
 

　　該研究得到國家自然科學基金、湖北省自然科學基金及中央高校基本科研業務費的支持。武漢大學科研公共服務共享平臺為該工作的開展提供了有力支撐。