川大彭強(qiáng)團(tuán)隊(duì)NC.：溶劑蒸汽擴(kuò)散驅(qū)動調(diào)控NFA的多尺度預(yù)聚集行為實(shí)現(xiàn)高性能OSCs

發(fā)表時間：2025-12-19 09:50

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主要內(nèi)容

活性層形貌的精準(zhǔn)調(diào)控是提升有機(jī)太陽能電池效率的關(guān)鍵所在，但該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)仍存在挑戰(zhàn)。為此，四川大學(xué)彭強(qiáng)和徐小鵬等人開發(fā)并應(yīng)用了一種溶劑蒸汽擴(kuò)散（SVD）策略，旨在精準(zhǔn)調(diào)控逐層制備型有機(jī)太陽能電池（layer-by-layer OSCs, LbL OSCs）中非富勒烯受體（NFA）的多尺度預(yù)聚集行為，為高性能有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了有效手段。

該策略的核心原理為：在逐層制備器件之前，將苯蒸汽擴(kuò)散至甲苯基受體溶液（如L8-BO的甲苯溶液）中構(gòu)建垂直溶劑梯度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精細(xì)的形貌調(diào)控。經(jīng)20分鐘溶劑蒸汽擴(kuò)散處理（SVD-20）后，D18:L8-BO體系器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到**值20.18%；而在D18(1% PYIT):L8-BO-C4體系中，器件效率更是高達(dá)20.71%，躋身單結(jié)有機(jī)太陽能電池已報道的最高效率行列。

綜合表征與機(jī)理研究結(jié)果表明，溶劑蒸汽擴(kuò)散處理可使受體分子形成自上而下的預(yù)聚集梯度，并在固態(tài)薄膜中穩(wěn)定構(gòu)筑出多尺度分級結(jié)構(gòu)。該形貌既能提供豐富的給體/受體（D/A）界面以保障激子高效解離，又能構(gòu)建連續(xù)的電荷傳輸通路，同步優(yōu)化激子分離與載流子收集效率；同時，還可精細(xì)調(diào)控給體/受體的垂直分布，將激子生成峰值區(qū)域（約57 nm）精準(zhǔn)定位至活性層中部，有效縮短載流子傳輸距離。此外，SVD-20還能實(shí)現(xiàn)超快電荷生成，提升并平衡載流子遷移率，抑制復(fù)合損失；同時誘導(dǎo)結(jié)晶度提升，形成更致密、有序的分子堆疊結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定電荷傳輸通路，緩解器件長期工作中的微觀結(jié)構(gòu)退化。優(yōu)化后的受體垂直梯度分布還可調(diào)控界面態(tài)密度，避免復(fù)合累積，減少電極與活性層間的有害反應(yīng)，顯著提升器件工作穩(wěn)定性。

值得注意的是，該溶劑蒸汽擴(kuò)散策略具有極強(qiáng)的普適性，可適配多種材料體系與溶劑環(huán)境。除D18:L8-BO模型體系外，該策略還成功應(yīng)用于BTP-C6、m-TEH、eC9-2F2Cl、L8-BO-C4等多種非富勒烯受體共混體系，同時兼容不同溶劑組合與給體材料，無需針對特定體系進(jìn)行優(yōu)化即可實(shí)現(xiàn)顯著的性能提升。

盡管優(yōu)勢顯著，該策略的應(yīng)用仍受限于溶劑屬性與工藝條件構(gòu)成的實(shí)用窗口。該策略要求溶劑對具備完全互溶性：主體溶劑需對受體具有高溶解性且揮發(fā)性低于蒸汽溶劑，蒸汽溶劑則需對受體呈現(xiàn)適度低溶解性以實(shí)現(xiàn)可控預(yù)聚集；同時，溶液高度（需平衡擴(kuò)散長度與聚集體尺寸）、精準(zhǔn)控溫等關(guān)鍵參數(shù)也需嚴(yán)格管控。在上述條件范圍內(nèi)，策略可對多種非富勒烯受體體系實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性能提升；若超出此范圍（如受體溶解度極低、溶劑間溶解度差異過小或熱條件管控不當(dāng)），調(diào)控效果會減弱，甚至形成過大聚集體導(dǎo)致器件性能退化。明確這些應(yīng)用邊界，可為策略的高效適用場景提供實(shí)用指導(dǎo)，也為其拓展至其他給體/受體及溶劑體系提供工藝優(yōu)化依據(jù)。

基于上述明確的應(yīng)用邊界，溶劑蒸汽擴(kuò)散策略可被針對性地用于利用梯度驅(qū)動的預(yù)聚集效應(yīng)實(shí)現(xiàn)活性層多尺度微結(jié)構(gòu)調(diào)控，同時規(guī)避削弱其優(yōu)勢的工藝條件。綜上，本研究證實(shí)該策略是一種可靠且通用的有機(jī)太陽能電池多尺度微結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，為通過梯度驅(qū)動預(yù)聚集實(shí)現(xiàn)形貌調(diào)控提供了新思路，推動了高性能有機(jī)電子器件的發(fā)展。

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