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長春應(yīng)化所謝志元AFM：添加劑誘導(dǎo)受體纖維化，獲得效率近20%二元/三元OSCs

發(fā)表時(shí)間：2025-08-28 09:51

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主要內(nèi)容

在中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，謝志元研究員率領(lǐng)其科研團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)聚焦于有機(jī)太陽能電池（OSCs）性能提升的創(chuàng)新性研究。在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域，追求高效光電轉(zhuǎn)換效率是科研人員不懈努力的方向，而構(gòu)建具有理想形貌的活性層結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中，纖維狀形貌因其具備長程有序性和豐富的界面，能夠?yàn)榧ぷ拥慕怆x和擴(kuò)散提供有利條件，進(jìn)而有效提升電池的光電轉(zhuǎn)換性能，因此成為團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究的形貌結(jié)構(gòu)。

在此次研究中，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過精心篩選，選定了三種新型含硒添加劑，分別為 DBrS、DPSE 和 DPDSE。選擇含硒添加劑開展研究，是基于硒元素獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。硒原子具有較大的原子半徑和較強(qiáng)的極化能力，引入到添加劑中后，有望通過調(diào)節(jié)分子間的相互作用力，精準(zhǔn)調(diào)控受體的自組裝過程，從而誘導(dǎo)形成具有特定結(jié)構(gòu)的纖維狀形貌。團(tuán)隊(duì)將這三種添加劑分別添加到給受體體系中的受體溶液中，用于制備特定結(jié)構(gòu)的二元有機(jī)太陽能電池（此處原“SD”推測為一種特定結(jié)構(gòu)的二元有機(jī)太陽能電池體系，若后續(xù)有更準(zhǔn)確的術(shù)語定義可替換）。

在制備過程中，這三種含硒形貌調(diào)控劑發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它們通過引入重原子，有效調(diào)節(jié)了受體分子間的相互作用，促使受體分子能夠自發(fā)地組裝成結(jié)晶性更優(yōu)的納米纖維。為了更好地保留形成的良好纖維狀形貌，團(tuán)隊(duì)采用了順序沉積法。這種方法不僅能夠使形貌特征參數(shù)，如結(jié)晶度、干燥動(dòng)力學(xué)和垂直組分分布，與光電參數(shù)，包括激子擴(kuò)散長度增加、激子解離效率和電荷傳輸性能，實(shí)現(xiàn)良好的匹配，還能在制備過程中延長結(jié)晶時(shí)間。延長的結(jié)晶時(shí)間為添加劑引導(dǎo)自組裝過程提供了充足的時(shí)間，使其能夠精準(zhǔn)調(diào)控垂直方向上的組分分布，并進(jìn)一步增強(qiáng)分子的有序性。

為了深入探究添加劑與受體之間的相互作用機(jī)制以及形貌形成的微觀過程，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用了一系列**的研究手段。通過接觸角測試，可以直觀地了解添加劑對(duì)受體表面性質(zhì)的影響；基于密度泛函理論（DFT）的計(jì)算，能夠從原子和分子水平揭示添加劑與受體之間的電子相互作用和能量變化；吸收光譜分析可以獲取受體分子在添加添加劑前后的光學(xué)性質(zhì)變化信息；傅里葉變換紅外光譜（FT - IR）測試和拉曼光譜分析則有助于確定添加劑與受體之間的化學(xué)鍵合情況和分子振動(dòng)模式。研究結(jié)果表明，這些添加劑能夠與受體的共軛主鏈發(fā)生特異性相互作用，增強(qiáng)主鏈之間的堆疊程度，從而促進(jìn)受體分子自組裝成纖維狀結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）的觀察結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，無論是純受體薄膜還是二元有機(jī)太陽能電池薄膜中，均存在清晰可見的纖維狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

這種由添加劑誘導(dǎo)形成的纖維狀形貌對(duì)有機(jī)太陽能電池的性能提升具有顯著作用。它延長了激子在活性層中的擴(kuò)散長度，為激子提供了更多的解離位點(diǎn)，從而促進(jìn)了高效的激子解離過程。同時(shí)，良好的纖維狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也有利于電荷的快速傳輸，減少了電荷在傳輸過程中的復(fù)合損失，特別是降低了雙分子復(fù)合和陷阱輔助復(fù)合的發(fā)生概率。

最終，基于 PM6/L8 - BO 的二元有機(jī)太陽能電池在采用特定工藝制備后，實(shí)現(xiàn)了 19.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，團(tuán)隊(duì)還采用非鹵代溶劑和非鹵代添加劑 DPSE，成功制備出了效率高達(dá) 19.8%的三元有機(jī)太陽能電池。這一研究成果不僅為未來高效有機(jī)太陽能電池中有機(jī)半導(dǎo)體的分子聚集調(diào)控提供了新的思路和方法，也為基于添加劑設(shè)計(jì)開發(fā)高性能光伏器件奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。