李永舫&邱貝貝Angew：效率超20%！薄膜形態(tài)調(diào)控實(shí)現(xiàn)高效OSCs

主要內(nèi)容

調(diào)控薄膜形態(tài)是實(shí)現(xiàn)高性能有機(jī)太陽能電池（OSCs）的核心挑戰(zhàn)。由于給體（Donor）與受體（Acceptor）材料的分子間相互作用存在本質(zhì)差異，通過分子工程設(shè)計(jì)固體添加劑以實(shí)現(xiàn)對其聚集行為的差異化調(diào)控，已成為突破當(dāng)前效率瓶頸的關(guān)鍵路徑。在此背景下，中國科學(xué)院化學(xué)研究所 李永舫研究員，浙江師范大學(xué)邱貝貝教授和嘉興大學(xué)姚嘉教授聯(lián)合其團(tuán)隊(duì)，通過聯(lián)噻吩異構(gòu)體工程開發(fā)出新一代形貌調(diào)控策略，在二元OSCs效率上取得重大突破。

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種聯(lián)噻吩異構(gòu)體固體添加劑（2,2'-TT、2,3'-TT、3,3'-TT），通過調(diào)控噻吩單元的α/β連接位點(diǎn)，構(gòu)建了具有相同平面共軛骨架但靜電勢（ESP）分布顯著差異的分子庫。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明：3,3'-TT的ESP極小值區(qū)域集中于分子中央，與L8-BO的π共軛面形成強(qiáng)π-π相互作用（結(jié)合能：-52.3 kcal/mol）；2,2'-TT的ESP分布更均勻，優(yōu)先與PM6的硫氧基團(tuán)發(fā)生偶極-偶極相互作用（結(jié)合能：-38.7 kcal/mol）；2,3'-TT則表現(xiàn)出中間態(tài)的相互作用特性。這種差異化的分子識(shí)別機(jī)制為選擇性調(diào)控給體/受體聚集行為奠定了基礎(chǔ)。

GIWAXS表征揭示了添加劑對分子堆積的精準(zhǔn)調(diào)控作用：對于L8-BO受體材料，3,3'-TT處理使（010）晶面間距從3.42 ?縮減至3.21 ?，π-π堆積相關(guān)散射峰強(qiáng)度提升2.3倍，形成高度有序的分子排列；而2,2'-TT雖能增強(qiáng)L8-BO的結(jié)晶性，但對PM6給體材料的面外（010）衍射峰強(qiáng)度僅提升1.1倍，表明其調(diào)控作用具有選擇性。更關(guān)鍵的是，3,3'-TT可誘導(dǎo)PM6形成納米纖維狀聚集結(jié)構(gòu)（寬度：15-20 nm），與L8-BO的納米片層（厚度：8-12 nm）構(gòu)建出雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)，這種理想的相分離形貌使激子解離效率提升至98.7%。

器件性能驗(yàn)證了形貌調(diào)控的顯著效果：3,3'-TT處理的PM6:L8-BO基器件實(shí)現(xiàn)19.34%的光電轉(zhuǎn)換效率（認(rèn)證值：19.12%），開路電壓（Voc）達(dá)0.916 V，短路電流密度（Jsc）為26.85 mA/cm2，填充因子（FF）突破77.3%。特別值得注意的是，其載流子壽命（τ）延長至1.2 μs，較未添加體系提升2.8倍，這得益于3,3'-TT對給體/受體界面處缺陷態(tài)密度的有效抑制（從1.2×101? cm?3降至4.5×101? cm?3）。進(jìn)一步拓展至D18:L8-BO體系時(shí)，3,3'-TT處理的器件效率達(dá)20.32%（認(rèn)證值：20.18%），F(xiàn)F高達(dá)82.47%，創(chuàng)下二元OSCs的世界紀(jì)錄。

該研究的突破性在于：通過分子異構(gòu)化工程實(shí)現(xiàn)了對給體/受體聚集行為的"雙通道"精準(zhǔn)調(diào)控——既強(qiáng)化受體材料的π-π堆積以提升電荷傳輸，又優(yōu)化給體材料的纖維化生長以促進(jìn)激子解離。這種策略不同于傳統(tǒng)添加劑的"一刀切"式調(diào)控，為開發(fā)高效穩(wěn)定的光伏材料提供了全新范式。研究團(tuán)隊(duì)還通過原位GIWAXS監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，3,3'-TT在薄膜退火過程中可動(dòng)態(tài)調(diào)整分子取向，最終形成與光吸收譜完美匹配的納米結(jié)構(gòu)，這種"動(dòng)態(tài)形貌工程"機(jī)制為后續(xù)材料設(shè)計(jì)提供了重要理論依據(jù)。

此成果不僅刷新了二元OSCs的效率紀(jì)錄，更系統(tǒng)揭示了固體添加劑化學(xué)結(jié)構(gòu)與分子聚集行為、共混形貌、光物理過程及器件性能之間的定量構(gòu)效關(guān)系。通過異構(gòu)體工程實(shí)現(xiàn)的差異化調(diào)控策略，為解決有機(jī)光伏領(lǐng)域長期存在的"形貌-穩(wěn)定性-效率"矛盾提供了創(chuàng)新解決方案，標(biāo)志著OSCs技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。

文獻(xiàn)信息

Selectively Modulating the Donor and Acceptor Aggregation Behaviors Through Solid Additive Isomerization Engineering for Organic Solar Cells Exceeding 20% Efficiency

Keli Shi, Haicui Liu, Shucheng Qin, Qianqian Zhao, Xiaoyu Mou, Jvfang Liang, Jia Yao, Can Zhu, Lian Zhong, Jing Guo, Jinyuan Zhang, Yilei Wu, Zhi-Guo Zhang, Beibei Qiu, Yongfang Li

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202514004

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