分层固体添加剂策略助力实现高效率有机太阳能电池

近年来，逐层（layer-by-layer, LbL）有机太阳能电池（organic solar cells, OSCs）备受关注，其制备方法是分别沉积电子给体层和电子受体层。不同于以往的体异质结（bulk heterojunction, BHJ）器件将给受体共混制备的方法，LbL OSCs可以根据给体层和电子层的性能寻找合适的方法进行性能的调控从而得到较优异的器件性能，这种方法有效的改善了BHJ给受体相互作用复杂、优化过程繁琐的问题，同时LbL器件还能形成有利于电荷传输和收集的垂直相分离结构。目前，LbL器件的优化方法主要有以下几种：采用共混溶剂；使用溶剂添加剂；选择适当的溶剂退火或热退火方式；选择合适的第三组分等。但是通过固体添加剂针对逐层器件每一层进行优化还鲜少有人研究。

近日，北京师范大学徐新军（点击查看介绍）和薄志山教授（点击查看介绍）团队将不同的固体添加剂结合LbL制备方法运用到OSCs中，发展了一种提升逐层有机太阳能电池性能的新策略。所用到的固体添加剂分别为FeCl₃和宽带隙共轭聚合物聚(9,9-二-正辛基氟芴基-2,7-二基) (PFO)。他们选用简单的氧化剂FeCl₃作为p型掺杂剂引入下层给体（D18）层，在不破坏D18层结构的前提下有效的提高给体层D18的空穴浓度和迁移率。同时，在上层受体（L8-BO）层中加入PFO，以改善小分子结晶不足的缺点，从而改善受体层的电荷传输、激子扩散等。通过对单层（给体D18层或者受体L8-BO层）的性能的改变选择对应的表征手段，系统的研究了添加剂对有机太阳能电池性能的影响，并探讨了逐层优化的优越性。

他们进行了电容-电压测量、载流子迁移率、阻抗谱以及紫外光电子能谱的测试，结果显示：通过向D18电子给体层中引入FeCl₃，电子给体层的空穴浓度增加，阻抗降低，空穴迁移率升高，功函数增大，这些结果表明FeCl₃是一种可应用于电子给体层的有效p型掺杂剂。因此，相比于对照器件（D18/L8-BO）的PCE值（17.59%），D18+FeCl₃/L8-BO器件的光电转换效率（PCE）提高到18.12%。

他们同时也研究了PFO作为固体添加剂对L8-BO层的影响。作为一种宽带隙聚合物添加剂PFO不会对器件的电压造成不利的影响，其平面结构还能有效调节电子受体层的分子排列。紫外-可见吸收的红移和荧光强度的增加表明PFO促进了L8-BO分子紧密J聚集的形成。同时，原子力显微镜和透射电镜表征表明PFO起到成核剂的作用，有助于增强电子受体分子的紧密堆积。所以D18/L8-BO+PFO器件的PCE达到18.79%。当同时加入FeCl₃和PFO时，D18+FeCl₃/L8-BO+PFO器件的PCE达到了19.17%。与此相比，将添加剂直接混入BHJ器件，则提高效果不显著，PCE仅为18.21%。

综上所述，本文报道了一种优化有机太阳能电池性能的新策略，不同于以往报道的逐层器件优化手段，徐新军和薄志山教授团队的研究结果表明这种分层固体添加剂策略比直接将添加剂混合到BHJ器件的活性层中更为有效，可以根据每一层的特性进行有针对性的性能调节，有助于促进OSC器件性能的进一步提升。此策略在不影响器件开路电压的情况下，实现了更高、更平衡的电子和空穴迁移率，同时还抑制了电荷复合。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hierarchical Solid-Additive Strategy for Achieving Layer-by-Layer Organic Solar Cells with Over 19% Efficiency

Qiaoling Chen, Ziqing Bian, Yujie Yang, Xinyue Cui, Charles Jeffreys, Xinjun Xu,* Wenhua Li, Yuqiang Liu, Martin Heeney, and Zhishan Bo* 

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202405949

【通讯作者简介】

徐新军教授简介：西安交通大学学士，中国科学院化学研究所博士，北京师范大学化学学院教授；主要从事有机半导体光电材料与器件的研究工作，在低成本、高效率有机光伏器件的研究方面取得了一系列重要进展，在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等国际著名SCI期刊上发表论文100余篇；多篇论文入选ESI高被引论文。

https://www.x-mol.com/university/faculty/364656 

薄志山教授简介：吉林大学学士、硕士、博士，德国柏林自由大学和美国北卡州立大学博士后，2002年任中国科学院化学研究所研究员，2002年获得基金委“杰出青年科学”基金支持，教育部长江学者特聘教授（2015-2020），教育部长江学者创新团队带头人，能量转换与存储材料北京市重点实验室主任。主要从事共轭聚合物光电功能材料的合成与性能研究，在国际重要学术期刊发表学术论文320余篇，包括Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。

https://www.x-mol.com/university/faculty/8940