新結(jié)構(gòu)分子的設(shè)計(jì)合成是推動(dòng)有機(jī)電子學(xué)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，共軛聚合物具有良好的成膜性，但具有合成不可控和批次差異性大等缺點(diǎn)，因而材料和器件重復(fù)性欠佳，是商業(yè)化進(jìn)程中的瓶頸。共軛小分子結(jié)構(gòu)明確，解決了合成可控性和批次差異性問(wèn)題。然而，電荷輸運(yùn)強(qiáng)烈依賴結(jié)晶性，最佳活性層形貌難以獲得，影響了器件性能和穩(wěn)定性。

針對(duì)小分子和聚合物存在的優(yōu)勢(shì)和不足，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員魏志祥和項(xiàng)目研究員鄧丹等，發(fā)展了介于小分子和聚合物的“N-π-N”型二聚體（即將高效率的小分子N型受體材料通過(guò)共軛基團(tuán)連接起來(lái)）。該新型二聚體材料結(jié)合了小分子和聚合物各自的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到18.2%的器件性能，高于對(duì)應(yīng)小分子（16.2%）和聚合物（15.8%），并表現(xiàn)出更為優(yōu)異的光、熱穩(wěn)定性。

科研人員為進(jìn)一步提升受體材料的非鹵溶劑加工性能和器件效率，以Y型受體為結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計(jì)合成了兼具高分子量與星形低偶極矩結(jié)構(gòu)的巨型三聚受體材料（G-Trimer，圖1a）。該材料將聚集驅(qū)動(dòng)力從傳統(tǒng)強(qiáng)偶極作用調(diào)整成高分子量間強(qiáng)相互作用，有效調(diào)控了受體分子在無(wú)鹵溶劑鄰二甲苯中的預(yù)聚集及成膜過(guò)程中的組裝行為（圖1b），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了非鹵溶劑的優(yōu)異加工性能和器件效率的突破。該研究以傳統(tǒng)聚合物PM6為給體材料、新型G-Trimer為受體材料的正向小面積剛性器件在鄰二甲苯加工下獲得超過(guò)19%的能量轉(zhuǎn)化效率，在空氣中狹縫涂布法刮涂制備的1 cm²柔性大面積反向器件獲得14.25%的效率，且46.2 cm²柔性大面積模組的能量轉(zhuǎn)化效率可保持在13.25%，以上效率均為迄今為止報(bào)道的無(wú)鹵溶劑加工的最高值（圖1c）。此外，基于G-Trimer的反向器件表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，80℃持續(xù)加熱4500小時(shí)，可維持近90%的初始效率（圖1d）。大分子量受體G-Trimer的設(shè)計(jì)集成了非鹵溶劑易加工、高效率與高穩(wěn)定性，為有機(jī)光伏領(lǐng)域發(fā)展提供了一類新型材料。

該研究以相應(yīng)線型二聚體（G-Dimer）和聚合物（PSMA）作為對(duì)照，高分子量和星型對(duì)稱分子結(jié)構(gòu)協(xié)同作用下的G-Trimer有以下優(yōu)勢(shì)：在鄰二甲苯溶液中表現(xiàn)出溫度依賴的預(yù)聚集（TDA）特性，并影響PM6的預(yù)聚集（圖1b，圖2a、b），前者促進(jìn)了受體的有序聚集而后者利于PM6的有序堆積和纖維形貌的生成，降低了薄膜的能量無(wú)序度（圖2c），利于電荷壽命的提高；在低電荷分離驅(qū)動(dòng)力情況下，同時(shí)存在高效局域激子（EX）介導(dǎo)和離域激子（i-EX）介導(dǎo)共存的雙空穴轉(zhuǎn)移機(jī)制（圖2d），促進(jìn)了低驅(qū)動(dòng)力下的電荷產(chǎn)生效率，提升了光子利用率；高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，器件表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。因此，G-Trimer的設(shè)計(jì)同時(shí)提高綠色溶劑的加工性能、有機(jī)太陽(yáng)能器件的效率和穩(wěn)定性，為商業(yè)化光伏受體材料的設(shè)計(jì)提供了重要的借鑒和指導(dǎo)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《焦耳》（Joule）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)的支持。

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圖1.?G-Trimer性質(zhì)和性能。（a）分子結(jié)構(gòu)；（b）在鄰二甲苯溶液中的變溫吸收光譜及其旋涂成膜的吸收光譜；（c）無(wú)鹵溶劑加工下器件面積及能量轉(zhuǎn)化效率總結(jié)圖；（d）器件熱穩(wěn)定性。

圖2.?（a）G-Trimer/PM6共混溶液的吸收光譜；（b）成膜過(guò)程PM6的吸收峰位置隨時(shí)間的變化；（c）共混膜的烏爾巴赫能；（d）共混膜空穴傳輸機(jī)制示意圖。