国家纳米科学中心纳米系统与多级次制造重点实验室研究员魏志祥、吕琨、博士邓丹和西安交通大学教授马伟等合作，设计并合成的可溶性有机小分子光伏材料，通过活性层形貌优化，获得了11.3%的光电转换效率，这是目前文献报道的可溶性有机小分子太阳能电池的最高效率，也是有机太阳能电池的最高效率之一。相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Commun., 2016, 7, 13740）上。

　　有机太阳能电池因为其具有原材料来源丰富、成本低廉、质量轻、可通过印刷制备为大面积柔性器件等优点，成为具有重要应用前景的太阳能利用方式，近年来引起广泛关注。在活性层材料中，相比于聚合物材料，可溶性有机小分子具有纯度高、明确的分子结构和分子量等优点。但是，目前基于有机小分子太阳能电池的效率依然需要进一步提升，尤其是性能更为稳定的反向器件的最高能量转换效率低于9%。

　　提高光电转换效率的两个主要途径，一是通过分子设计调控能级结构，二是通过改善器件活性层形貌从而降低电荷复合，减少能量损失。魏志祥课题组通过改变可溶性小分子的端基受体中氟原子的个数，实现了这两个方面的协同优化。氟化端基有利于降低材料的HOMO能级和光学带隙；同时可以降低与富勒烯受体的相容性和材料的表面能。研究表明，氟化端基诱导了材料在水平方向上多级次相尺寸的分布，即同时存在相纯度高且利于电荷传输的大尺寸颗粒（约100nm）以及增加给受体界面面积且利于电荷分离的小尺寸颗粒（约15nm）。这种多级次相尺寸的分布使电荷分离和传输更趋于平衡，减少了电荷的复合，从而减少能量损失。在垂直方向上，氟化端基提高了表面给体材料的富集程度，在正极表面形成了电子阻挡层，进一步减少了能量损失，从而实现了器件效率的提升。基于此，该课题组提出了反向器件活性层的理想形貌模型，在水平上形成多尺度纳米组装结构，在垂直方向上形成有利于电荷收集的垂直相分布。该工作深入阐述了高效光伏材料的分子设计、形貌调控和器件性能之间的内在关系，对高效率有机光伏材料的设计具有重要借鉴意义。

　　该成果得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、国家自然科学基金重点项目、中科院纳米先导专项等项目的支持。
 

不同氟原子取代的分子结构、活性层形貌示意图和器件性能曲线