Fluolab【Adv.Mater.】20.64%的突破：热力学调控助力有机太阳能电池性能跃升
有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）因其轻质、柔性、半透明等特性，在新一代光伏技术中备受关注。然而，如何在保持稳定性的同时进一步提升其光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE），一直是科研界的核心挑战。本文介绍了一项最新研究，通过热力学工程手段优化层间扩散与激子生成机制，成功将二元有机太阳能电池的效率提升至20.64%，并实现了卓越的稳定性与厚膜兼容性。 
文章信息
📚文章标题：20.64% Efficient and Stable Binary Organic Solar Cells via Thermodynamic-Engineered Interlayer Diffusion and Exciton Generation 作者：Yiwang Chen等 期刊：Advanced Materials 链接：https://doi.org/10.1002/adma.202509806
一、研究背景：从热溶液到热基底的新思路
传统的有机太阳能电池制备方法多采用热溶液旋涂技术（Hot Solution Processing），通过加热溶液来改善薄膜均匀性。然而，这种方法存在诸多问题：
- 高温溶液易导致过度相分离，影响激子解离与电荷传输；
- 制备过程中温度变化剧烈，难以控制分子聚集行为；
- 层间扩散受限，需额外后处理工艺，增加成本。
为解决上述问题，研究团队提出了“热基底顺序沉积法”（Hot Substrate Sequential Processing, HS-SqP），即在加热的基底上依次沉积供体与受体材料，从而实现更稳定、更可控的薄膜结构。
二、热基底法的优势：从分子层面重塑结构
1. 延长热调控时间，抑制供体预聚集
通过热成像技术，研究人员发现热基底法能显著延长供体材料D18的液相持续时间（490ms vs 700ms），有效抑制其在溶液态下的预聚集行为。这一过程有助于形成更均匀的纤维状晶体结构，提升空穴迁移率。 
2. 优化层间表面能匹配，促进受体渗透
采用Owens方程测定表面能，发现HS处理后的D18薄膜表面能更接近受体材料eC9（26.55 vs 29.97 mN/m），显著降低了层间能量差（Δγ = 3.42 mN/m），从而促进eC9分子向下渗透，增强激子生成区域的混合程度。 
3. 提升垂直方向组分分布与激子生成效率
通过软等离子体刻蚀与光学传输矩阵模拟，研究人员重建了薄膜的垂直组分分布。HS处理后，底部区域的供体比例由79.46%降至64.23%，实现了激子生成与电荷收集的平衡，显著提升了光电流密度。 
三、性能表现：效率、稳定性与厚膜兼容性全面提升
1. 光电转换效率突破20.64%
在采用高性能空穴传输层2PACZ的条件下，研究团队在三种体系中均实现了超过20%的PCE：
| 材料体系 | PCE（%） | FF（%） | VOC（V） | JSC（mA/cm²） |
|---|---|---|---|---|
| D18/eC9 | 20.25 | 81.94 | 0.871 | 28.37 |
| D18/eC9-4F | 20.02 | 81.41 | 0.871 | 28.23 |
| D18/L8-BO | 20.64（认证值20.10） | 81.31 | 0.904 | 28.08 |
其中，D18/L8-BO体系的效率达到了20.64%，并通过国家计量中心认证，验证了其可靠性。
2. 稳定性显著增强
在连续270小时的1太阳光照下，HS处理的器件仍保持90%的初始效率，而对照组仅为85.76%。这归因于其更稳定的纤维状骨架结构，抵抗溶剂冲洗与热应力的能力更强。 
3. 厚膜兼容性优异
传统方法在300nm厚度下仅实现17.12%的PCE，而HS处理后可达18.12%，创下厚膜二元OSC的最高纪录之一。这意味着该方法在实际应用中更具可扩展性。
四、机制解析：从微观结构到宏观性能的协同优化
1. 分子堆积更紧密，提升载流子迁移率
GIWAXS测试显示，HS处理后π–π堆积距离缩小（3.66Å vs 3.69Å），晶体相干长度增加（106.7Å vs 96.2Å），有助于提升空穴迁移率（从3.89×10⁻⁴提升至5.28×10⁻⁴ cm²/V·s），实现更好的电荷平衡。
2. 降低非辐射复合损耗，提升开路电压
通过EL-EQE与FTPS-EQE分析，HS处理器件的非辐射电压损耗ΔE₃降低至0.214eV（对照组为0.231eV），直接推动VOC从0.857V提升至0.868V。
3. 降低陷阱态密度，提高载流子寿命
DLTS与TPC/TPV测试表明，HS处理器件的陷阱态密度降低54%，载流子寿命延长23.6%，进一步抑制复合过程，提升整体性能。
五、总结与展望：热力学调控开启高效OSC新纪元
本研究系统揭示了热基底顺序沉积法在有机太阳能电池中的多重优势：
- 实现了供体分子更快、更均匀的结晶；
- 优化了层间扩散与组分分布；
- 显著提升了器件效率、稳定性与厚膜兼容性。
这一方法不仅在多个体系中实现了超过20%的PCE，更在厚膜器件中展现出前所未有的性能潜力，为未来高效、低成本OSC的商业化应用提供了坚实基础。
未来，结合界面工程、材料设计与热力学调控，有望进一步突破有机光伏的效率瓶颈，迈向更广阔的能源应用场景。