南開(kāi)陳永勝AM：PCE 20.3%！p型液晶半導(dǎo)體助力二元有機(jī)太陽(yáng)能電池效率新突破

主要內(nèi)容

在有機(jī)太陽(yáng)能電池（Organic Solar Cells, OSC）的研究領(lǐng)域，活性層形貌對(duì)器件性能起著決定性作用。它直接影響著電池對(duì)光能的吸收效率、激子的擴(kuò)散與解離過(guò)程，以及電荷的傳輸和收集效果。南開(kāi)大學(xué) 陳永勝教授、闞斌教授和國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)韓凱教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在深入研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，固態(tài)添加劑作為調(diào)控活性層形貌的關(guān)鍵手段，雖備受關(guān)注，但目前常用的固態(tài)添加劑大多聚焦于形貌調(diào)控層面，卻忽視了自身電學(xué)特性的優(yōu)化。這導(dǎo)致在提升載流子遷移率等關(guān)鍵電學(xué)性能方面效果欠佳，成為制約有機(jī)太陽(yáng)能電池性能進(jìn)一步提升的重要瓶頸。

基于此現(xiàn)狀，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)廣泛篩選和深入研究，創(chuàng)新性地引入了一種p型棒狀液晶（Liquid Crystal, LC）有機(jī)半導(dǎo)體——2 - 癸基 - 7 - 苯基苯并[b]苯并[4,5]噻吩并[2,3 - d]噻吩（Ph - BTBT - 10）。選擇該液晶分子，源于其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。它具有強(qiáng)π - π堆積作用，能夠促使分子形成高度有序的排列結(jié)構(gòu)，為電荷的傳輸提供有序通道；同時(shí)具備高本征遷移率，有利于電荷在材料中的快速移動(dòng)。這些特性使其成為理想的多功能添加劑，有望突破現(xiàn)有固態(tài)添加劑的局限。

在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)將Ph - BTBT - 10按照一定比例（例如[X]%，此處可根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充具體比例）添加到基于D18:L8 - BO的二元有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層中。在電池工作過(guò)程中，Ph - BTBT - 10憑借其強(qiáng)π - π堆積作用，如同一位精準(zhǔn)的“形貌調(diào)控大師”，對(duì)活性層的納米形貌進(jìn)行精細(xì)雕琢。它促使給體和受體分子形成緊湊有序的堆積結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了相分離程度，構(gòu)建出具有雙連續(xù)互穿纖維網(wǎng)絡(luò)的活性層。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為激子的解離提供了理想的“微環(huán)境”，使激子能夠在更短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效解離，大大提高了電荷分離效率。

同時(shí)，Ph - BTBT - 10的高本征遷移率發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它像一位高效的“電荷運(yùn)輸員”，顯著改善了電學(xué)性能。在電荷傳輸過(guò)程中，減少了電荷的散射和復(fù)合，提高了載流子遷移率。具體而言，它延長(zhǎng)了激子擴(kuò)散長(zhǎng)度，讓激子在更長(zhǎng)的距離內(nèi)保持活性，增強(qiáng)了電荷分離的動(dòng)力；有效抑制了復(fù)合過(guò)程，降低了電荷在傳輸過(guò)程中的損失，減少了非輻射復(fù)合等能量損耗途徑。

經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化，二元器件實(shí)現(xiàn)了20.3%的較高光電轉(zhuǎn)換效率（Power Conversion Efficiency, PCE）。與近期同領(lǐng)域其他研究相比，例如[列舉一兩個(gè)相關(guān)研究及其PCE數(shù)據(jù)]，該研究成果在光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)20%的二元體系中位居前列，充分彰顯了其創(chuàng)新性。同時(shí)，短路電流密度達(dá)到27.28 mA cm?2，填充因子為80.5%，這些關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)一步證明了該添加劑的有效性。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步深入研究揭示，將液晶分子Ph - BTBT - 10作為添加劑引入光活性層，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米形貌的精細(xì)調(diào)控。系統(tǒng)研究表明，Ph - BTBT - 10與給體及受體之間存在強(qiáng)相互作用，這種相互作用通過(guò)分子間力（如范德華力、氫鍵等）傳遞，為優(yōu)化給體與受體的排列提供了內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。它促使分子形成緊湊有序的堆積結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出具有**相分離程度的雙連續(xù)互穿纖維網(wǎng)絡(luò)。

在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，激子解離過(guò)程得到極大促進(jìn)。激子在吸收光子后形成，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供的理想“通道”，激子能夠迅速擴(kuò)散到給體 - 受體界面，并在界面處發(fā)生高效解離，生成電子和空穴。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)有效抑制了復(fù)合損失和三重態(tài)激子形成動(dòng)力學(xué)過(guò)程。三重態(tài)激子是激子的一種激發(fā)態(tài)，它的形成會(huì)通過(guò)非輻射復(fù)合等方式消耗能量，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。Ph - BTBT - 10的引入削弱了這一能量損失通道，它可能通過(guò)改變分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)或電子態(tài)分布，減少了三重態(tài)激子的產(chǎn)生概率，從而提高了電池的性能。

此外，Ph - BTBT - 10誘導(dǎo)的分子有序排列與其本征的高電荷遷移率協(xié)同作用，顯著提升了純膜和共混膜中的載流子傳輸能力。載流子傳輸能力是衡量電池性能的重要指標(biāo)之一，它直接影響著電池的輸出電流和填充因子。經(jīng)Ph - BTBT - 10處理的D18:L8 - BO二元器件再次展現(xiàn)了優(yōu)異的性能，實(shí)現(xiàn)了20.3%的優(yōu)異光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），短路電流密度（Jsc）達(dá)27.28 mA cm?2，填充因子（FF）為80.5%。

在穩(wěn)定性測(cè)試方面，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了嚴(yán)格且全面的實(shí)驗(yàn)。將經(jīng)Ph - BTBT - 10處理的器件置于60℃的環(huán)境中，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)900小時(shí)的熱老化測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，器件仍能保持初始PCE的80%以上，與對(duì)照器件相當(dāng)。這一結(jié)果表明，引入該小分子液晶添加劑未對(duì)熱穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，為有機(jī)太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用提供了重要保障。

不僅如此，Ph - BTBT - 10在PM6:L8 - BO（PCE = 19.6%）和PM6:BTP - eC9（PCE = 19.2%）體系中也展現(xiàn)出良好的普適性。在不同材料體系中，它都能發(fā)揮類似的形貌調(diào)控和電學(xué)性能優(yōu)化作用，證實(shí)了其在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的廣泛適用性。

該團(tuán)隊(duì)的研究揭示了液晶添加劑（如Ph - BTBT - 10）在同步調(diào)控納米形貌與電子特性方面的雙重功能。其作用機(jī)制源于促進(jìn)激子解離、抑制復(fù)合路徑以及削弱三重態(tài)介導(dǎo)的能量損失通道。這一發(fā)現(xiàn)為提升有機(jī)太陽(yáng)能電池性能提供了一種頗具前景的新范式，有望推動(dòng)有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)向更高效率、更穩(wěn)定的方向發(fā)展，為可再生能源的利用開(kāi)辟新的途徑。

文獻(xiàn)信息

A p-Type Liquid-Crystal Semiconductor with Synergistic Morphological and Charge-Dynamic Modulation Enables 20.3%-Efficiency Binary Organic Solar Cells

Tianqi Chen, Yanyi Zhong, Xuehang Dong, Jiaying Wang, Wanying Feng, Jiangbin Zhang, Kai Han, Adiljan Wupu, Weifei Fu, Bin Kan, Yongsheng Chen

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202512694

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