常州大学宋欣等A.M.：工艺辅助固体（PAS）策略实现有机太阳能电池效率及膜厚耐受性协同提升

一、【导读】

近年来，有机太阳电池（OSC）因其具有质量轻、成本低、可溶液加工等优点，在物联网、建筑一体化等应用领域受到广泛关注。随着新型Y系列非富勒烯受体（Y6，BTP-ec9，L8-BO等）的出现，单结器件的光电转换效率（PCE）超过19％，而基于串联电池器件的认证PCE也已超过20%。

有机太阳能电池活性层通过将两种能级结构匹配且能形成合适相分离结构的共轭分子（给体，受体）进行共混，形成本体异质结。由于给受体材料之间的相容性差异，异质结相分离会同时出现在水平和垂直方向维度，导致形貌调控非常具有挑战性。为实现水平及垂直方向相分离尺度的协同调控，研究者相继报道了一系列形貌调控手段。例如，在光活性层引入具有对称构象的可挥发性固体。虽然其有利于提高器件性能及器件工况稳定性，但是由于其各向同性分子堆积和弱偶极相互作用，使得垂直方向的给受体组分分布杂乱无章，不利于激子分离和电荷提取，影响光伏性能的进一步提升。因此，探索具有不同构象的新型挥发性固体在有机太阳能电池中的应用具有非常重要的意义。更为关键的是，挥发性固体对光活性层内部的形貌调控作用机制尚不明晰，亟需系统性研究。相比对称构象，得益于更大的偶极矩和各向异性的偶极方向，非对称构象易促进分子的有序排列，成为最近几年在有机及钙钛矿光电子器件中聚集态调控的有效手段之一。但非对称构象的可挥发性固体在有机太阳能电池的应用及背后的器件物理机制研究还鲜有报道。

二、【成果掠影】

鉴于此，常州大学宋欣等首次报道通过非对称构型的工艺辅助固体（1,3-二溴-5-氯苯，DBCl，图1a）策略（PAS）实现“一箭双雕”：1.精细调控Y系列受体的聚集态行为，2：可控形成给受体多级空间相分离尺度。结果显示，利用此PAS策略，PM6:L8-BO的器件光电转换效率达到18.5%，远高于无PAS处理的对照器件（15.0%）（图1c），并在活性层厚度达到300 nm时，器件效率仍然能保持在17.0%（图1d），是目前基于厚膜器件的最高效率（图1e）。

三、【图文导读 】

图1.(a) 工艺辅助固体DBCl，给体PM6，受体Y6的分子结构式；（b）太阳能电池器件示意图；（c）无PAS处理及PAS处理的器件J-V曲线；（c）随厚度变化的器件J-V曲线；（e）厚膜器件效率总结，蓝色星号为本实验结果。

系统的形貌及光电表征研究发现，DBCl与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，形成良好的层间相互作用。DFT模拟计算证实DBCl的引入明显增强Y6的偶极矩及调控Y6分子的偶极方向，有利于Y6分子的紧密堆积。当与PM6给体进行共混后， PAS处理的共混薄膜具有更强的结晶状态及优异的互穿网络结构（图2a-d），有助于促进电荷产生和分离、平衡电荷传输和抑制陷阱辅助复合，从而显著提高短路电流密度和填充因子。此外，相比无PAS处理的薄膜， PAS处理的共混薄膜具有更高的激子产生速率及更优异的垂直相分离尺度，有助于在厚膜器件中实现高效率激子解离及载流子传输。该工作首次报道PAS是一类具有简易、高效的形貌调控手段，并系统揭示可挥发性固体优化活性层薄膜形貌进而提高器件性能的内在机理，为实现有机太阳能电池的商业化应用提供了新思路。

图2（a,b）未PAS处理及PAS处理的GIWAXS图，(c,d) 未PAS处理及PAS处理的拉曼成像图（蓝色为PM6，红色为Y6），(e) PAS工艺原理的示意图

相关研究成果最新发表于国际顶级材料期刊《Advanced Materials》上，题为“Process-aid solid engineering triggers delicately modulation of Y-series non-fullerene acceptor for efficient organic solar cells” DOI: 10.1002/adma.202200907.原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200907。宋欣副教授为第一兼通讯作者，朱卫国教授为共同通讯作者。

上述研究得到国家自然科学基金（62105129），江苏省青年科学基金（BK20200591）及江苏省双创博士等项目的支持。本项目的开展也得到德国慕尼黑工业大学的Peter Müller-Buschbaum教授及郭任君博士的支持。

本文由作者供稿。