近年来，基于非富勒烯受体的有机太阳能电池（OSCs）在功率转换效率（PCE）上取得了显著提升，目前已超过20%。众所周知，活性层的形貌在激子生成和解离过程中起着至关重要的作用，供体/受体（D/A）界面尤为关键，因为它们为激子解离提供了驱动力。一方面，增加D/A接触界面的数量可以促进激子的生成，这对应于更密集、更精细的纳米级纤维网络。然而，过多的D/A界面可能导致激子的湮灭。另一方面，激子解离后形成的电子和空穴需要大而纯净的供体和受体区域以形成传输通道，这对应于具有强结晶质量的纳米级纤维网络。然而，如果相分离尺寸过大，则可能导致严重的激子复合。在通常均匀的活性层形貌中形成这种看似矛盾的结构是具有挑战性的。

近年来，本课题组在有机太阳能电池活性层形貌调控方面做了系统性的工作（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314420; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202407007; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2302063; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2302554; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2301866）。在本工作中，我们通过将高低分子质量的D18混合的方式制备了一种高结晶性、具有多尺度纳米纤维结构的高性能聚合物给体-MIX-D18。该研究致力于调节活性层的形貌，以改善OSCs的各种参数。该组的研究发现，高分子量D18（HW-D18，M_n=77.3 kg/mol）能够形成细长的纤维，从而实现高的光电转换效率（PCE）。相反，低分子量D18（LW-D18，M_n=35.0 kg/mol）表现出良好的溶解性并形成较粗的纤维。通过在HW-D18中添加10%的LW-D18，制备了MIX-D18，这种材料形成了具有均匀分布的致密且粗厚的纳米级纤维的多尺度形貌。该混合物实现了20.0%的优异PCE和81%的高填充因子（FF）。

该研究成果提出了一种创新的方法，通过结合HW-D18和LW-D18的优点来创造高性能的聚合物给体。这种方法适用于不同批次的D18系统，并且在未来其他聚合物给体材料的应用中具有潜力。相关成果以题为“Constructing Multiscale Fibrous Morphology to Achieve 20% Efficiency Organic Solar Cells by Mixing High and Low Molecular Weight D18”于2024年9月1日发表于Advanced Materials期刊。

Table 1. D18-based OSCs' photovoltaic characteristics under simulated AM 1.5 G (100 mW/cm²) illumination.

文献总结：为了实现最理想的相形貌，通过在HW-D18中加入10%的LW-D18以形成MIX-D18，构建一种结合粗细纤维的多尺度聚合物纤维网络。HW-D18的致密而纤细的晶体纤维网络显著增强了供体/受体（D/A）接触界面，从而促进了激子的生成。同时，LW-D18较粗的晶体纤维网络为激子解离后的电子和空穴传输提供了高效的通道。MIX-D18:L8-BO混合薄膜表现出优异的分子有序性和更长的激子扩散距离。这使得基于MIX-D18的器件能够实现20.0%的出色光电转换效率（PCE）。这一优异性能归因于陷阱辅助复合的减少，以及激子解离和电荷传输的显著改善。总体而言，通过混合不同分子量的D18聚合物，可以有效优化活性层的形貌，从而提升有机太阳能电池的PCE。这一策略对优化其他聚合物材料的光伏性能也具有重要意义。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408934