【Adv.Mater.】突破20%效率！五种有机太阳能电池的“延迟成核”策略详解

文章标题：Prolonged‐Nucleation Strategy via an Asymmetric Brominated Acceptor Enables 20% Efficiency in Five Different Organic Solar Cells
通讯作者：Shunpu Li, Zhenghui Luo, Guangye Zhang
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202517576

文章概要

在高效有机太阳能电池（OSCs）的发展中，BTP核结构的受体材料因其优异的电荷转移能力和分子堆积特性而广泛应用。然而，这类材料在溶液加工过程中常常出现过快成核的问题，导致形成不理想的供体/受体（D/A）混合结构和亚稳态形貌，从而限制了器件的效率和稳定性。

本研究提出了一种“延迟成核”策略，通过设计一种不对称溴代的受体分子T10，有效调控成核动力学，显著提升了器件性能。T10采用扩展的二维醌并喹唑啉（AQx）核心结构，并在中心核上引入溴原子，增强了分子堆积的多位点性，使成核时间延长至280毫秒，是传统eC9-4F受体的两倍。

关键成果如下：

• 分子设计与成核调控：T10的高偶极矩（2.47 Debye）和强非共价相互作用使其与供体PM6和受体eC9-4F形成更稳定的纤维状网络结构，抑制了过度混合，优化了相分离。
• 器件性能提升：在PM6:eC9-4F:T10三元体系中，器件展现出更长的载流子寿命（3.224 µs）、更低的缺陷密度（1.37 × 10¹⁵ cm⁻³）和更低的能量无序度（21.82 meV），实现了高开路电压（0.873 V）和填充因子（80.68%），最终效率达到19.91%。
• 光稳定性增强：三元器件在连续1太阳光照下的T90寿命达到1609小时，远超二元体系（127小时和726小时）。
• 广泛适用性验证：T10作为第三组分被成功应用于五种不同的BTP受体体系中，分别为D18:eC9、D18:BO-4Cl、D18:L8-BO-X、D18:L8-BO和D18:eC9-4F，器件效率均突破20%，最高达20.67%（D18:eC9-4F:T10，认证效率为20.1%）。
• 理论与实验支持：通过密度泛函理论计算，验证了T10与供体和其他受体间的强吸附能（如与PM6的BDT单元吸附能为−65.95 kcal/mol），并通过原位吸收光谱、AFM、PiFM和GIWAXS等手段系统分析了成膜过程和形貌演变。
• 能量损失分析：三元体系的非辐射复合损失（ΔE₃）显著降低，Urbach能量也最低（21.82 meV），说明其能态分布更均匀，有利于提升开路电压。
• 垂直相分布优化：通过深度剖析吸收谱，发现三元体系在阳极界面处供体富集度最高（66.2%），有利于空穴提取和界面复合抑制。

研究意义：

本研究通过分子结构工程与三元体系策略相结合，成功延长了BTP核受体的成核时间，从而在多个体系中实现了高效率和高稳定性的有机太阳能电池。提出的“结构-成核时间”关系为未来高性能OSC材料的设计提供了通用性强、可扩展的理论基础和实践路径。

这项工作不仅在效率上实现了突破，更在器件稳定性和普适性方面展现出巨大潜力，为有机光伏技术的商业化应用迈出了关键一步。