武汉大学闵杰课题组实现可溶液加工的高效率全小分子太阳能电池

（通讯员高妍）近日，武汉大学高等研究院教授闵杰课题组在高效率且可溶液加工的全小分子太阳能电池研究中取得重要进展。该工作通过模块化设计合成了具有不对称侧链结构的小分子给体材料，系统调控了分子间相互作用、结晶行为与活性层形貌，实现了18.12%的能量转换效率（PCE），创下了全小分子活性层体系的纪录效率，且其展现出优异的加工适用性与规模化制备潜力。

相关成果发表于国际学术期刊Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》），论文题为“Controlled-Disorder Asymmetrical Donors Enable Efficient All-Small-Molecule Solar Cells with Excellent Solution-Processability”（《非对称小分子给体无序控制实现高效率且可溶液加工的全小分子太阳能电池》）。高等研究院博士研究生徐林勇和高远为共同第一作者，闵杰和副研究员孙瑞为共同通讯作者，高等研究院为唯一通讯单位。

研究概述

全小分子太阳能电池因其明确的分子结构与良好的批次重复性而受到广泛关注，但其在形貌控制与工艺适应性方面存在挑战，使得能量转换效率与加工性能仍落后于基于聚合物材料的活性层体系。针对该问题，闵杰课题组设计合成了三种具有不同侧链功能基团的不对称小分子给体材料MPhS-HF、MPhS-OP和MPhS-PF。通过系统研究其光电特性、溶液行为、结晶动力学与器件性能，课题组发现含有烷氧苯基侧链的MPhS-OP在与非富勒烯受体L8-BO共混时，表现出良好的相容性与延迟结晶行为，有助于形成纳米互穿网络结构相形貌，从而促进激子高效解离、平衡电荷传输并抑制复合损失。相比之下，MPhS-HF和MPhS-PF体系因为给体过早地相析出形成岛屿状形貌，相畴尺寸较大，导致激子解离效率下降与电荷复合加剧，使其光伏参数J_SC、FF和PCE均明显低于MPhS-OP体系。

多种加工工艺条件下的三种活性层体系器件性能对比

在最优器件制备条件下，MPhS-OP:L8-BO活性层体系在厚膜（300 nm）、高速刮涂（29 m/min）、绿色溶剂（THF）处理及大面积器件（1 cm²）等多种实际加工条件下，仍能保持16.4%以上的效率，展现出优异的工艺耐受性与可扩展性，远优于MPhS-HF和MPhS-PF体系。

(a)共混溶液体系在不同溶剂体积比下的混合吉布斯自由能曲线特征点；(b) MPhS-HF:L8-BO与MPhS-OP:L8-BO体系成膜机制示意图；(c)基于给体与L8-BO特征吸收峰解析的成膜动力学过程，涵盖氯仿溶液低速刮涂、厚膜制备与高速刮涂，以及四氢呋喃溶液低速与高速刮涂条件

课题组进一步通过热力学模拟与原位光谱分析，揭示了MPhS-OP在成膜过程中延迟析出的动力学机制，有效抑制了过早相分离，从而在不同加工条件下实现了微观形貌的良好重现性。该研究不仅为高效全小分子太阳能电池的材料设计提供了新思路，也为其从实验室走向产业化提供了关键方案。

该研究得到国家自然科学基金、湖北省自然科学基金及中央高校基本科研业务费的支持。武汉大学科研公共服务共享平台为该工作的开展提供了有力支撑。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202519713

（供图：高等研究院 编辑：相茹）