近日，AMCDLab詹传郎-郑新明课题组在有机太阳能电池活性层形貌调控研究方面取得重要进展，相关研究成果以 “Complex Makes It Powerful: From Unidirectional to Bidirectional via Synergistic Volatile Solid Additives Enabling 20.16% Efficient and Stable Organic Solar Cells” 为题，被国际能源材料领域顶级期刊“Advanced Energy Materials（AEM）”接收发表。内蒙古师范大学硕士研究生吴纪初为论文第一作者，内蒙古师范大学詹传郎教授、郑新明研究员和北京师范大学冉光柳副教授为共同通讯作者。
有机太阳能电池（OSCs）具备质量轻、可柔性、溶液可加工等突出优势，是新一代可再生光伏技术的重要发展方向。活性层本体异质结的微观形貌，包括分子堆积、结晶度与相分离状态，直接决定器件的激子解离、电荷输运与复合行为，是同时实现高光电转换效率与长工作稳定性的核心关键。挥发性固体添加剂（VSA）凭借可完全挥发、无残留、操作简便的优势，成为形貌调控的热门手段。但现有绝大多数挥发性固体添加剂仅能单向调控给体或者受体其中一相，难以实现两相同步协同优化，制约器件性能进一步提升。
针对这一关键科学问题，团队设计开发了两种卤代硝基苯类挥发性固体添加剂 —3, 5-二氯硝基苯（DCNB）与 3, 5-二溴硝基苯（DBNB）。得益于分子各向异性静电势与大偶极矩特征，该类添加剂可以同时作用于给体 D18 与受体 L8-BO 组分，实现给‑受体两相双向协同调控：既促进给体 D18 有序结晶，又诱导受体 L8-BO 分子紧密堆积，构筑理想的互穿网络活性层微观结构。
借助紫外-可见吸收光谱、红外光谱、原子力显微镜（AFM）、掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）、飞秒超快（FS-TA）等表征手段证实，添加剂处理后共混薄膜分子有序性显著提升，相分离尺度得到优化。最优 D18:L8-BO 基有机太阳能电池引入 DCNB 添加剂后，光电转换效率达到 20.16%；经 DBNB处理器件效率达到 19.80%，远高于对照组器件 17.87% 的效率，该 20.16% 的效率是二元体系采用挥发性固体添加剂策略的高水平结果。
瞬态光电流、瞬态光电压、空间电荷限制电流以及飞秒瞬态吸收光谱测试表明，双向调控后的器件激子解离效率提升，双分子复合与陷阱辅助复合得到有效抑制，界面空穴转移动力学显著加快，载流子输运更加平衡；能量损失分析证明添加剂有效降低器件非辐射复合损失，乌尔巴赫（Urbach）能量降低，体系能量无序度得到改善。
该调控策略拥有良好普适性，在 PM6:L8-BO、PM6:BTP-eC9、D18:Y6 等多个主流高效给‑受体体系中均可实现性能提升。稳定性测试表明，氮气环境存储 1000 h 后，DCNB、DBNB 处理器件分别保留初始效率的 91.96%、90.94%，显著优于对照器件；同时热稳定性、光照工作稳定性均得到明显改善。此外，添加剂对加工浓度具备较高容忍度，在 3-7 mg/mL 浓度区间器件效率波动小于 2%，具备面向规模化制备的应用潜力。
该工作系统阐释了卤代硝基苯类挥发性固体添加剂的双向协同调控机制，突破传统固体添加剂单向调控的局限，为高效率、高稳定性有机太阳能电池的形貌工程提供全新分子设计思路与实验参考。
本研究得到国家自然科学基金、内蒙古自治区自然科学基金、“英才兴蒙” 团队项目、内蒙古自治区高校国际合作项目、内蒙古师范大学高层次人才科研启动经费以及北京同步辐射装置 GIWAXS 测试等项目平台支持。
该论文在形貌表征方面得到了山西师范大学张静副教授的支持和帮助。丹麦奥尔堡大学和中丹教育研究中心的于冬宏副教授为研究提供合作支持。
论文信息：
Article DOI: 10.1002/aenm.71615
Article: Complex Makes It Powerful: From Unidirectional to Bidirectional via Synergistic Volatile Solid Additives Enabling 20.16% Efficient and Stable Organic Solar Cells
Journal: Advanced Energy Materials
Full article: http://doi.org/10.1002/aenm.71615