Fluolab【Adv.Mater.】实现近84%填充因子与≈21%效率：固体添加剂异构调控如何刷新有机太阳能电池纪录？
文章标题：Achieving a Record Fill Factor of Approaching 84% and 21% Efficiency in Binary Organic Solar Cells via Solid Additive Engineering
通讯作者：Menglan Lv
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202519230
文章概要
引言
有机太阳能电池（OSCs）的光活性层通常呈现纳米级互穿网络结构，这一形貌对激子解离、载流子传输以及整体能量转换效率至关重要。为了获得理想形貌，研究者发展了多种调控策略，包括热退火、液体添加剂以及近年来备受关注的固体添加剂方法。固体添加剂因其在成膜过程中可直接参与相分离与结晶调控，被视为提升器件性能的主流手段。然而，固体添加剂与光活性材料之间的偶极作用、分子间相互作用如何影响形貌演化与最终器件性能，仍缺乏系统理解。本研究通过分子异构化工程，精确调控固体添加剂的偶极矩与电荷分布，揭示其对供体/受体材料堆积行为、相分离尺度及器件性能的深层影响。
主要实验及结论
研究选取了三种碘取代的1,2,4-三氯苯异构体（4TCB、2TCB、1TCB）作为固体添加剂，它们具有相同的分子骨架但因碘原子位置不同而呈现显著差异的偶极矩与静电势分布。计算结果显示，1TCB具有适中的偶极矩与更强的负静电势区域，使其与供体D18和受体L8-BO均表现出更强的结合能与更佳的相容性。接触角与Flory-Huggins参数进一步证实1TCB与光活性材料的混溶性最佳，有利于形成更均匀的分子堆积。
光谱与原位吸收测试揭示，三种添加剂均能增强供体与受体的J型聚集，但1TCB因其较低熔点与较高挥发性，使成膜过程具有更适中的结晶时间窗口，从而促进晶域生长并抑制过度聚集。器件测试表明，未添加添加剂的D18:L8-BO器件效率为19.70%，填充因子（FF）为81.60%；加入4TCB与2TCB后性能有所提升；而1TCB使器件效率达到20.94%（认证值20.42%），FF高达83.93%，为目前二元OSCs的最高纪录之一。
进一步的载流子迁移率、瞬态光谱与光强依赖测试显示，1TCB显著提升了激子解离效率、空穴转移速率并抑制陷阱辅助与双分子复合，从而实现更高的短路电流与填充因子。形貌表征（AFM、PiFM、TEM）揭示1TCB诱导形成更粗壮且连续的纤维网络结构，构建优化的双连续互穿网络，有利于载流子快速传输。GIWAXS结果进一步证明添加剂提升了供体与受体的结晶性与π–π堆积有序度。最终，器件在光照与储存稳定性上均表现优异，1TCB处理的器件T80超过10 000小时，显示出极高的形貌稳定性。
总结及展望
本研究通过分子异构化策略，系统揭示了固体添加剂偶极矩与静电势分布对光活性层形貌调控的关键作用。通过改变碘原子在三氯苯环上的取代位置，研究者成功调控了固体添加剂与供体/受体材料的相互作用强度与混溶性，从而实现了更优的分子堆积、相分离尺度与载流子动力学。1TCB作为最优添加剂，使二元OSCs实现了20.94%的高效率与83.93%的纪录级填充因子，并展现出卓越的稳定性。本工作不仅深化了对固体添加剂作用机制的理解，也为未来高性能有机光伏材料的分子设计提供了新的思路，尤其是在通过偶极调控实现形貌精准调节方面具有重要启示意义。