近日，国际权威期刊Energy & Environmental Science（《能源环境科学》）以研究性论文（Research Article）的形式在线发表我组在高性能全小分子太阳能电池研究领域取得的新进展。论文题为“Efficient and Stable All-Small-Molecule Solar Cells Enabled by Incorporating a Designed Giant Molecule Acceptor”（《通过引入巨分子受体构筑高效稳定的全小分子太阳能电池》）。博士研究生杨欣荣和高远为该论文共同第一作者，孙瑞副研究员和闵杰教授为该论文的通讯作者，武汉大学高等研究院为第一署名单位/唯一通讯单位。
有机太阳能电池（OSCs）因其独特的优势在新能源领域受到了越来越多的关注。其轻量化和柔性设计使其成为便携式设备、可穿戴技术和建筑一体化应用的理想选择。此外，有机光伏材料的环境友好性和可降解性进一步推动了绿色能源的普及。随着材料设计策略与器件优化工艺的不断发展，OSCs的光电转化效率不断提升，已在实验室条件下突破20%，展现出巨大的市场潜力和广泛的应用前景。但是相应光伏材料体系的可加工性能（例如：材料批次重复性，活性层膜厚耐受性，尺寸滞后效应等），制备成本以及器件运行稳定性仍然限制着有机太阳能电池的商业化进程。因此，协同优化OSCs的效率，稳定性，成本，以及可加工性能对于助力有机太阳能电池的商业化发展具有重要意义。全小分子有机太阳能电池（all-SMOSCs）因其活性层材料分子结构明确，被视为解决OSCs领域材料批次重现性问题的重要手段。然而，由于材料分子尺寸较小，相转变温度（Tg）较低，该类体系的稳定性远落后于基于聚合物的太阳能电池。
图1.分子结构、器件性能、材料回收及成本分析
基于此，课题组设计了一种具有较大分子尺寸和较高相转变温度的巨分子受体Se-Giant，并将其引入到MPhS-C2：BTP-eC9的本征all-SMOSCs体系中。由于Se-Giant与主体受体BTP-eC9具有相同的结构组成，形成了类合金受体相，从而限制了活性层形貌在光、热等应力作用下的演变。因此，基于MPhS-C2：BTP-eC9: Se-Giant光伏体系实现了超过3000小时T80寿命（效率衰减为初始效率80%的时间）。这一结果打破了领域内对于all-SMOSCs运行稳定性差的固有印象，为OSCs领域的稳定性研究提供了新策略。此外，Se-Giant 的加入补充了吸收光谱、改善了活性层的微观形貌并提升了的电荷传输和提取性能，从而实现了18.16%的PCE，这是目前all-SMOSCs领域的最高效率之一，Se-Giant的引入还提升了本征体系的膜厚耐受性和大面积尺寸滞后效应等可加工性能。
受课题组在有机太阳能电池关键材料回收循环利用研究成果（Joule, 2024, Cost-efficient recycling of organic photovoltaic devices）的启发，在本研究中，对活性层材料的回收利用进行了初步可行性分析，强调了材料回收对有机光伏商业化的重要性。总之，该研究提出的巨分子受体掺杂策略协同提升了all-SMOSCs的效率、运行稳定性以及可加工性，为开发高性能有机太阳能电池提出了简单可行的新策略。
该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。武汉大学科研公共服务条件平台为此项工作的开展提供了有力的支撑。
论文连接： https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2024/ee/d4ee01705f
