保秦燁&闞志鵬AEM：二元OSCs效率破20%！同步調(diào)控電荷傳輸與相形態(tài)

主要內(nèi)容

減少體異質(zhì)結(jié)（Bulk Heterojunction，BHJ）光活性層的電荷傳輸不足問題，是實現(xiàn)高效有機太陽能電池（Organic Solar Cells，OSCs）過程中面臨的一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)。由華東師范大學保秦燁教授、廣西大學物理科學與工程技術(shù)學院闞志鵬教授以及青島大學劉亞輝教授強強聯(lián)合所帶領(lǐng)的科研團隊，針對這一難題展開了深入研究，并成功開發(fā)出一種協(xié)同調(diào)控策略。

在該策略中，團隊向由聚合物給體PM6和非富勒烯受體L8 - BO構(gòu)成的二元體系里，引入了高度結(jié)晶的p型有機半導體C8 - BTBT作為固體添加劑。這一創(chuàng)新舉措旨在同時改善電荷動力學特性以及光活性層的相形貌。

基于該策略制備的二元有機太陽能電池展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，其光電轉(zhuǎn)換效率高達20.1%，填充因子（Fill Factor，F(xiàn)F）更是達到了81.9%。值得注意的是，這一填充因子是目前PM6:L8 - BO體系已報道的最高值。

改性后的光活性層之所以具備顯著的競爭優(yōu)勢，主要得益于以下幾個方面：

其一，其匹配的電子結(jié)構(gòu)有助于在給體:受體異質(zhì)結(jié)界面處實現(xiàn)高效的激子解離；

其二，電荷陷阱密度得到有效降低；

其三，電荷遷移率更加平衡；

其四，電荷復合過程受到明顯抑制。

這些優(yōu)勢通過一系列**的瞬態(tài)表征技術(shù)和定量理論分析得到了確鑿的證實。

此外，經(jīng)過優(yōu)化后的微觀形貌呈現(xiàn)出均勻的纖維狀結(jié)構(gòu)，且具有更好的分散性。這種獨特的微觀結(jié)構(gòu)顯著提升了電池的電學性能。同時，C8 - BTBT在增強給體:受體相容性和改善分子堆積特性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它所形成的良好纖維狀結(jié)構(gòu)促進了電荷動力學特性，進而使器件的整體性能更為優(yōu)異。

綜上所述，該科研團隊通過將高度結(jié)晶的C8 - BTBT作為固體添加劑引入PM6:L8 - BO共混物中，成功制備出了效率高達20.1%且填充因子極為出色的（達81.9%）二元有機太陽能電池。這一高填充因子刷新了PM6:L8 - BO基二元體系的已報道紀錄。器件的**性能主要源于改性后的光活性層中匹配的異質(zhì)結(jié)界面電子結(jié)構(gòu)、降低的電荷陷阱密度、更加平衡的電荷遷移率，以及受到抑制的雙分子復合和陷阱輔助復合。本研究不僅為解決體異質(zhì)結(jié)電荷傳輸難題提供了創(chuàng)新思路，更為進一步提升有機太陽能電池性能提供了一種頗具前景的策略，有力推動了新一代有機太陽能電池技術(shù)的發(fā)展。

文獻信息

Boosting Binary Organic Solar Cells Over 20% Efficiency via Synchronous Modulation of Charge Transport and Phase Morphology

Bin Zhao, Lei Zhu, Shaobing Xiong, Jinyang Yu, Xuelin Wang, Jingjing Zhao, Lixing Tan, Jingrong Zhang, Jiancheng Zhong, Lixuan Kan, Xiaoyun Wan, Kai Jiang, Hongxiang Li, Zaifei Ma, Yahui Liu, Haiming Zhu, Zhipeng Kan, Feng Liu, Zhenrong Sun, Junhao Chu, Qinye Bao

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202504947

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