常州大學宋欣等A.M.：工藝輔助固體（PAS）策略實現有機太陽能電池效率及膜厚耐受性協同提升

一、【導讀】

近年來，有機太陽電池（OSC）因其具有質量輕、成本低、可溶液加工等優點，在物聯網、建筑一體化等應用領域受到廣泛關注。隨著新型Y系列非富勒烯受體（Y6，BTP-ec9，L8-BO等）的出現，單結器件的光電轉換效率（PCE）超過19％，而基于串聯電池器件的認證PCE也已超過20%。

有機太陽能電池活性層通過將兩種能級結構匹配且能形成合適相分離結構的共軛分子（給體，受體）進行共混，形成本體異質結。由于給受體材料之間的相容性差異，異質結相分離會同時出現在水平和垂直方向維度，導致形貌調控非常具有挑戰性。為實現水平及垂直方向相分離尺度的協同調控，研究者相繼報道了一系列形貌調控手段。例如，在光活性層引入具有對稱構象的可揮發性固體。雖然其有利于提高器件性能及器件工況穩定性，但是由于其各向同性分子堆積和弱偶極相互作用，使得垂直方向的給受體組分分布雜亂無章，不利于激子分離和電荷提取，影響光伏性能的進一步提升。因此，探索具有不同構象的新型揮發性固體在有機太陽能電池中的應用具有非常重要的意義。更為關鍵的是，揮發性固體對光活性層內部的形貌調控作用機制尚不明晰，亟需系統性研究。相比對稱構象，得益于更大的偶極矩和各向異性的偶極方向，非對稱構象易促進分子的有序排列，成為最近幾年在有機及鈣鈦礦光電子器件中聚集態調控的有效手段之一。但非對稱構象的可揮發性固體在有機太陽能電池的應用及背后的器件物理機制研究還鮮有報道。

二、【成果掠影】

鑒于此，常州大學宋欣等首次報道通過非對稱構型的工藝輔助固體（1,3-二溴-5-氯苯，DBCl，圖1a）策略（PAS）實現“一箭雙雕”：1. 精細調控Y系列受體的聚集態行為，2：可控形成給受體多級空間相分離尺度。結果顯示，利用此PAS?策略，PM6:L8-BO的器件光電轉換效率達到18.5%，遠高于無PAS處理的對照器件（15.0%）（圖1c），并在活性層厚度達到300 nm時，器件效率仍然能保持在17.0%（圖1d），是目前基于厚膜器件的最高效率（圖1e）。

三、【圖文導讀 】

圖1.(a) 工藝輔助固體DBCl，給體PM6，受體Y6的分子結構式；（b）太陽能電池器件示意圖；（c）無PAS處理及PAS處理的器件J-V曲線；（c）隨厚度變化的器件J-V曲線；（e）厚膜器件效率總結，藍色星號為本實驗結果。

系統的形貌及光電表征研究發現，DBCl與Y6（非富勒烯明星分子）具有很好的相容性，并且易吸附在中心BTP核上，形成良好的層間相互作用。DFT模擬計算證實DBCl的引入明顯增強Y6的偶極矩及調控Y6分子的偶極方向，有利于Y6分子的緊密堆積。當與PM6給體進行共混后， PAS處理的共混薄膜具有更強的結晶狀態及優異的互穿網絡結構（圖2a-d），有助于促進電荷產生和分離、平衡電荷傳輸和抑制陷阱輔助復合，從而顯著提高短路電流密度和填充因子。此外，相比無PAS處理的薄膜， PAS處理的共混薄膜具有更高的激子產生速率及更優異的垂直相分離尺度，有助于在厚膜器件中實現高效率激子解離及載流子傳輸。該工作首次報道PAS是一類具有簡易、高效的形貌調控手段，并系統揭示可揮發性固體優化活性層薄膜形貌進而提高器件性能的內在機理，為實現有機太陽能電池的商業化應用提供了新思路。

圖2（a,b）未PAS處理及PAS處理的GIWAXS圖，(c,d)?未PAS處理及PAS處理的拉曼成像圖（藍色為PM6，紅色為Y6），(e)?PAS工藝原理的示意圖

相關研究成果最新發表于國際頂級材料期刊《Advanced Materials》上，題為“Process-aid solid engineering triggers delicately modulation of Y-series non-fullerene acceptor for?efficient organic solar cells”?DOI: 10.1002/adma.202200907.原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200907。宋欣副教授為第一兼通訊作者，朱衛國教授為共同通訊作者。

上述研究得到國家自然科學基金（62105129），江蘇省青年科學基金（BK20200591）及江蘇省雙創博士等項目的支持。本項目的開展也得到德國慕尼黑工業大學的Peter Müller-Buschbaum教授及郭任君博士的支持。

本文由作者供稿。