国家纳米中心魏志祥研究员、郑州大学周瑞敏副研究员:异构化固体添加剂协同调控给受体聚集与形貌实现效率超20%的高性能有机太阳能电池

有机太阳能电池的器件性能和稳定性主要由体异质结（BHJ）活性层的分子聚集和相形貌主导。因此，实现精细的分子堆积和相形貌控制是实现高效性能和长期稳定性的核心挑战。固体添加剂提供了一种更可控且环保的方式，但大多固体添加剂的研究主要集中在对受体的影响上，而忽略了对给体和受体的协同作用。所以，利用两种同分异构固体添加剂的协同形貌调控方法，对开发高效且耐用的有机光伏电池具有重要意义，为高效稳定有机太阳能电池的设计开发提供了有意义的指导。

近日，国家纳米科学中心魏志祥研究员、郑州大学周瑞敏副研究员协同合作在异构化固体添加剂协同调控有机太阳能电池领域取得重要进展。研究团队通过在PM6:L8-BO中引入一对同分异构固体添加剂4-BBT和5-BBT，不仅能单独提高聚合物给体PM6的结晶性和提高π-π堆积，有效抑制受体L8-BO的过度聚集，而且当两者同时使用时，能产生协同效应，进一步细化纳米级相分离，增强给体 - 受体之间的混溶性，并促进更有序的分子堆积。这种精细的形貌控制有助于平衡电荷传输，减少复合损失，从而提升器件性能。经过4-BBT+5-BBT处理的D18:L8-BO-C4电池器件更是实现了20.13%的高效率。

图1. 材料结构与器件性能。本研究中所采用的给体、受体以及固体添加剂，其化学结构式如上图呈现。经过4-BBT和5-BBT添加剂处理的光伏器件，能量转换效率（PCE）以及稳定性获得明显的提升。其中，经过4-BBT+5-BBT处理的PM6:L8-BO器件的PCE为19.32%，开路电压（V_OC）为0.891 V，短路电流密度（J_SC）为27.32 mA/cm²，填充因子为79.39%；D18:L8-BO-C4器件的PCE为20.13%，开路电压（V_OC）为0.881 V，短路电流密度（J_SC）为27.53 mA/cm²，填充因子为83.01%；并且光稳性显著提升（T₈₀=926 h）。

图2. 薄膜形貌表征。有无固体添加剂处理的PM6和L8-BO薄膜的AFM图像，有无固体添加剂处理的混合膜的AFM-IR图像。

图3. 成膜动力学与机理分析。固体添加剂对混合膜的原位紫外吸收的影响以及最大吸收峰波长的演变曲线，添加剂对给受体的调节作用示意图。

AFM以及AFM-IR的图像表明4-BBT或5-BBT促进聚合物供体PM6的结晶性和π-π堆积，同时有效抑制受体L8-BO的过度聚集，双添加剂同时作用实现更精细的纳米级相分离，增强了给体 - 受体相容性和有序堆积。采用原位紫外 - 可见吸收光谱法研究了PM6：L8-BO混合膜的成膜动力学，在固体添加剂的作用下，组分的结晶时间不断延长，这意味着较慢的结晶速率，有足够的时间成核和更有序的结晶相的生长。延长的结晶窗口促进了有序分子堆积的形成，增强了电荷传输，并减少了电荷复合。

魏志祥，国家纳米科学中心研究员，博士生导师。2003年在中科院化学所获得博士学位，之后在德国马普胶体界面研究所、加拿大多伦多大学从事博士后研究工作。2006年加入国家纳米科学中心，主要的研究方向为有机光电材料的自组装与柔性器件。相关工作以第一/通讯作者发表在Nat. Commun., Adv. Mater., Energy. Envision. Sci., Adv. Energy. Mater.等国际重要学术期刊上。

周瑞敏，郑州大学副研究员。2021年在中国科学院大学获得博士学位，同年加入郑州大学化学学院，主要研究方向为有机太阳能电池材料设计合成与器件相关的研究。相关工作以第一/通讯作者发表在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等国际重要学术期刊上。