全小分子太阳能电池（ASM-OSC）具有材料分子结构清晰、纯化方法简单等优点。 它们避免了聚合物太阳能电池器件批次差异大的缺点，是有机太阳能电池的重要研究方向之一。 然而，小分子的共轭骨架短、结晶速度快，导致活性层的形貌难以控制，器件的光电转换效率仍落后于聚合物太阳能电池。 目前开云官方app下载站kaiyun开云官方网站，由于形貌控制手段有限，开发新型高效的小分子供体和受体仍然是提高ASM-OSC效率的最重要策略。

在前期的研究工作中，魏志祥研究员团队在缀合小分子供体的设计和形貌控制方面取得了一系列进展。 例如，通过扩大给体中间给电子单元的稠环结构，设计合成了小分子给体ZR1，以提高材料的结晶度。 与非富勒烯受体Y6共混后，实现了多级形貌的有效控制（Nat Commun., 2019, 10, 5393）； 随后云开·体育appkaiyun，通过侧链苯基烷基硫链的位置异构化，设计了新的结构供体M-PhS，协同优化有序堆积和高相容性，构建了多相多尺度分级分布的活性层形貌，实现了电荷分离和传输，基于M-PhS: BTP-eC9的器件达到16.2% (Adv. Mater. 2022, 34, 2106316)。

近期，基于上述工作，团队设计合成了三种不同表面张力的小分子供体（ZR1-C8、ZR-SiO和ZR-SiO-EH，图1）。 通过供体和受体之间的表面张力差异来调节分子间相容性。 ZR-SiO-EH:Y6共混薄膜表现出更好的纳米级双连续互穿网络形貌和更小的相面积。 尺寸和有序的分子堆积确保了有效的激子解离和电荷传输。 此外，有序的分子取向和给体与受体之间电子占据的最高分子轨道（HOMO）能级差的减小将非辐射能量损失降低至0.2 eV，从而实现了0.87 V的高开路电压ASM-OSC。 因此开云手机平台，基于ZR-SiO-EH:Y6的器件表现出16.4%的高转换效率。 结果表明，通过引入硅氧烷基链来调节分子间相容性以获得有序相分离形貌，为设计高性能ASM-OSC提供了有效方法。 相关研究成果题为“通过向小分子供体引入硅氧烷调节相分离和分子堆积，实现高效全小分子有机太阳能电池”，发表在《能源与环境科学》杂志上。 （能源环境科学，2022, 15, 2937，DOI：10.1039/d2ee00726f）。

图1.a)小分子供体的化学结构； b) 三种小分子供体的表面能测试（左边测试溶剂为二次水，右边为1,2-二碘甲烷）； c) 共混膜透射电镜形貌； d) 共振软X射线散射曲线； e) 共混膜形貌示意图（200nm，红色和蓝色小模块分别代表施主和受主）

在小分子供体的设计中，除了上述对中间给电子单元的修饰外，对末端吸电子单元的修饰对于调节其溶解度、能级和分子堆积模式也起着至关重要的作用。 通过将小分子供体的末端烷基链从己基（MPhS-C6）缩短为乙基（MPhS-C2），获得了紧密的π-π堆积，同时降低了其结晶度对热退火的敏感性（图2）。 由于其端基长烷基链的自由旋转带来的柔性，MPhS-C6的结晶行为对热敏感。 器件热退火过程中HOMO能级和结晶行为得到极大改善。 短烷基链 MPhS-C2 降低了其对热退火的敏感性，从而降低了 HOMO 能级的增加及其晶体尺寸。 再加上短烷基链的致密堆积特性，确保了较小相分离尺度下的有效电荷传输。 当使用BTP-eC9作为受体时，与MPhS-C6相比，基于MPhS-C2:BTP-eC9的器件非辐射能量损耗从0.247 eV降低到0.192 eV，效率从16.2提高% 提高到 17.11%，实现了 ASM-OSC 效率的突破。 由于有源层薄膜密度的增加和对热积累敏感性的降低，器件的光学和热稳定性得到了显着提高。 文章强调了通过小分子供体设计优化活性层形貌的关键作用，对于高效有机共轭小分子的合成具有重要的指导意义。 相关研究成果以“Donor End-capped Alkyl Chain Length Dependent Non-Radiative Energy Loss in All-small-molecule Organic Solar Cells”为题发表在《Advanced Materials》杂志上。 （高级材料。2022 年，DOI：10.1002/adma.202207020）。

图2.a)小分子供体的化学结构； b) 不同烷基链长度的热聚集驱动力； c) 不同烷基链长度分子的热退火聚集敏感性和能级变化示意图； d) 所有小分子高效率（>14%）及其能量损失汇总表，星号标记本工作报告的结果

国家纳米中心博士研究生常宜林和副研究员朱向伟为能源与环境科学文章的共同第一作者，国家纳米中心陆昆研究员为通讯作者。 国家纳米中心博士研究生张丽丽和武汉大学博士研究生孙锐为该论文的共同第一作者，国家纳米中心副研究员邓丹为该论文的共同第一作者。通讯作者。 该论文的共同作者还包括国家纳米科学中心周惠琼研究员、西安交通大学马伟教授、武汉大学敏杰教授。 上述成果得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等项目的支持。

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