不同形态的异构添加剂对有机太阳能电池受体分子聚集行为的调控

有机太阳能电池（OSCs）作为新型的第三代光伏技术之一，因其质量轻、半透明及可柔性制备等优势而备受关注。目前由给体和受体材料混合而成的本体异质结（BHJ）仍是OSCs的主流活性层结构。但由于BHJ活性层存在不可控的相分离，其不稳定的形貌结构将导致器件的光电性能逐步降低。为实现理想的BHJ活性层，获得稳定的高性能OSCs，精确调控光活性层的形貌结构显得至关重要。其中一种行之有效的策略是在活性层中引入添加剂来调控给/受体的分子堆积和聚集形貌。然而，不同形态的添加剂对BHJ形貌和器件性能的影响机制尚不明晰。

近日，中山大学材料学院的刘升华副教授、陈文多副教授以及深圳技术大学的张光烨副教授联合报道了将三种不同形态（液态、固态、挥发性固态）的同分异构体添加剂分别引入BHJ活性层中，实现了对受体分子聚集形态的逐步精细调控。该方法优化了BHJ活性层的分子堆积形貌，显著提升了OSCs的器件性能。

图1. 三种异构添加剂及其对给/受体薄膜光吸收的影响

研究结果表明携带高电负性卤素原子的异构添加剂更倾向于与受体L8-BO发生相互作用，而非给体D18。在活性层成膜过程中，1-4-溴-1,2-二氯苯（LCB）作为液态添加剂延长了活性层溶剂的挥发时间，有效抑制了受体分子的过度聚集；1-溴-2,4-二氯苯（SCB）作为固态添加剂显著缩短了活性层分子的聚集时间，获得了最紧密的分子π-π堆积形貌；而2-溴-1,4-二氯苯（VCB）作为挥发性固态添加剂，可以有效调节活性层内的分子间相互作用和结晶行为，促进了最佳的分子自组装与聚集，形成了理想的分子堆叠结构。

图2. 原位吸收与薄膜形貌演化示意图

AFM与TEM测试表明，引入添加剂能够有效调节受体的聚集行为，显著改变薄膜的形貌。与LCB和SCB添加剂处理的薄膜相比，经过挥发性固体VCB处理的D18:L8-BO共混薄膜表现出最适宜的表面粗糙度，更精细的纤维网络与最佳的相分离尺寸，从而有助于活性层内的激子解离与收集。GIWAXS的数据也证明VCB处理的共混薄膜显示出最大的晶体相干长度，从而增强活性层内的载流子传输。

图3. 活性层微观形貌表征

从三种不同形态的异构添加剂对OSCs器件光电性能影响的对比表征中，可以看到基于挥发性固体添加剂VCB的器件具有最优的激子解离与电荷提取效率，更加平衡的载流子迁移率与更低的开路电压损失，因此经VCB处理的D18:L8-BO和PM6:L8-BO为活性层的OSCs都实现了器件光电性能的显著提升，电池效率分别达到了19.33%和19.51%，优于LCB和SCB添加剂处理的器件。

图4. 器件光电性能测试

这项工作不仅实现了一种新颖的不同形态的异构添加剂策略，在精准调控OSCs活性层分子堆积和聚集形貌方面的作用，而且详细阐明了异构添加剂分子优化活性层形态和器件性能的机制。

相关论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.，文章的第一作者为中山大学材料学院的博士研究生夏梓皓与深圳技术大学新材料与新能源学院的硕士研究生高川林。

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）：

Isomerization-Controlled Aggregation in Photoactive Layer: An Additive Strategy for Organic Solar Cells with Over 19.5% Efficiency

Zihao Xia, Chuanlin Gao, Zhixiang Xie, Miaoxuan Wu, Hansheng Chen, Tongzi Li, Jiang Zhou, Ting Cai, Huawei Hu, Jing Shuai, Chen Xie, Guangye Zhang, Wenduo Chen, Shenghua Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202421953

通讯作者简介

刘升华副教授简介：2009年和2012年分别获得电子科技大学电子科学与技术学士和材料科学与工程硕士学位；2017年获香港理工大学博士学位。2019年入选中山大学“百人计划”青年学术骨干，在材料学院任副教授，博士生导师。长期围绕有机光伏与有机电化学晶体管生物传感器领域开展研究，涉及电子薄膜材料与器件、材料学、光电学等，至今取得了一系列领先的，创新性成果。于2022年获得广东省“珠江人才”青年拔尖人才，2021年获深圳市高层次人才“孔雀计划”B类。在包括Energy & Environmental Science，Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials等杂志以第一或通讯作者发表SCI文章40余篇。并多次参加国际学术会议，在香港国际电子材料、美国MRS等会议上做演讲报告。

陈文多副教授简介：2014年毕业于高分子物理与化学国家重点实验室，随后在中国科学院长春应用化学研究所留所工作，2019年加入中山大学材料学院，担任“百人计划”副教授，博士生导师。长期从事有机小分子、高分子及复合材料的多尺度模拟研究。至今在Angew. Chem. Int. Ed., Macromolecules, J. Membrane Sci., ACS AMI等学术刊物上发表40多篇研究论文，申请/授权专利14项，软著8项，作为负责人和主要参与人承担项目30余项。

张光烨副教授简介：深圳市高层次B类人才，首届深圳技术大学润园PI，深圳市超金刚石与功能晶体重点实验室副主任，“X-TALENT PROGRAM”导师。本科毕业于中国科学技术大学材料物理专业，博士毕业于美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）化学系，后在香港科技大学进行博士后研究并担任研究助理教授，拥有深港两地的有机半导体创业经历。发表SCI论文百余篇，第一作者英文专著一部，专利多项，引用近万次，H指数47，获得多项创业奖项，2020-2023连续4年全球前2%顶尖科学家、2022-2023全球高被引科学家。

https://www.x-mol.com/university/faculty/380778 

课题组介绍

本课题组依托中山大学材料学院的先进新材料和器件研究平台。从事有机电子材料与器件相关领域的研究，重点研究有机光伏材料与器件以及有机电化学晶体管传感器。