固-液体双添加剂协同优化有机太阳能电池活性层形貌

活性层共混膜是有机太阳能电池的核心，决定着电池器件的能量转换效率。高性能有机太阳能电池的构建，除了需满足给受体间的能级匹配及吸收光谱互补外，本体异质结形貌的调控优化也是关键：良好的纳米尺寸互穿网络结构相分离是光生高效激子分离、传输的前提。由于给体和受体材料之间的不同性质，由单一溶剂溶液旋涂制备的共混膜通常难以形成理想的相分离形貌。通过在主体的制备溶液中添加少量的液体添加剂，利用添加剂与主体溶剂不同的挥发性及对给/受体材料的溶解性差异调控给受体材料的聚集，是目前常用的形貌调控方法。与笼状结构的富勒烯衍生物受体材料不同，目前广泛使用的非富勒烯受体材料具有与给体材料类似的π-共轭结构，在常用液体添加剂的溶解性与给体材料差异性较小，削弱了液体添加剂调控形貌的作用，限制了器件光伏性能的提升。

鉴于此，苏州大学李永舫院士团队的崔超华教授等采用具有强结晶性的4,4'-二甲氧基八氟联苯（OFP）作为固体添加剂与1-氯萘（CN）协同作用，可有效突破CN作为单一添加剂调控形貌的限制，从而进一步优化活性层形貌、提升器件的光伏性能。

OFP具有强的结晶性，且与受体材料具有良好的相容性，可在活性层成膜的过程中有效抑制强结晶性的非富勒烯受体材料的过度自聚集。随后， OFP在90℃的热退火作用下挥发，给受体形成了优于单一CN 处理的纳米尺寸给/受体互穿网络相分离结构。因此，经OFP-CN双添加剂协同优化的PM6:Y6基器件的能量转换效率（PCE）可达16.78%，明显高于单一CN添加剂优化的对比器件性能（PCE = 15.70%）。

此外，该固-液双添加剂调控方法还具有良好的适用性，可有效提升基于不同材料体系的器件性能。尤其是，OFP-CN双添加剂优化的基于PTQ10:m-BTP-C6Ph器件，PCE达到了17.74%（单一CN添加剂优化的器件PCE为16.45%）。结果表明，OFP-CN双添加剂协同作用是一种优化基于非富勒烯材料活性层形貌的有效方法，在制备高性能有机太阳能电池方面具有广阔的应用前景。

该研究结果以“Synergistic effect of solvent and solid additives on morphology optimization for high-performance organic solar cells”为题发表于SCIENCE CHINA Chemistry。该研究工作得到了国家自然科学基金项目和江苏省自然学科基金项目的支持。

 

Fan C, Yang H, Zhang Q, Bao S, Fan H, Zhu X, Cui C, Li Y. Synergistic effect of solvent and solid additives on morphology optimization for high-performance organic solar cells. Sci. China Chem., 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-1114-3.

---

---