【Small】桂林电子科技大学张坚||破纪录！19.37%光电转换效率，双组分添加剂协同策略赋能高效稳定有机太阳能电池
文章标题：Conjugated Polymer-Halogenated Alkane Synergy: 19.37% Efficiency in Binary Organic Solar Cells
通讯作者：Tianhuan Huang, Zheling Zhang, Jian Zhang
文章概要
本文系统研究了共轭聚合物添加剂PM6与卤代烷烃液体添加剂DIO的协同调控机制，并成功将其应用于D18
引言
近年来，非富勒烯受体材料的涌现使有机太阳能电池（OSCs）的效率屡创新高。然而，活性层形貌的热力学不稳定形貌亚稳态仍然是制约其商业化应用的核心瓶颈。传统的单一液体添加剂（如1,8-二碘辛烷，DIO）虽能有效优化材料结晶，但因其高沸点难以完全挥发，常在薄膜中留下残留，导致器件在长期运行中面临微观结构坍塌的风险。相比之下，固体添加剂虽然能稳定驻留于薄膜内，但单一调控往往难以兼顾多相界面的复杂相分离网络。如何通过双组分添加剂的complementary协同效应，在实现超高光电转换效率的同时，锁死最理想的纳米级互穿网络结构，是当前光伏领域亟待解决的重大科学问题。
FIGURE 1 (a) Molecular structures of D18, BTP-BO-4F and PM6. (b) Device structure schematic. (c) Energy levels of D18, PM6 and BTP-BO-4F.
主要实验及结论
研究团队构建了以广带隙聚合物D18为给体、BTP-BO-4F为受体的二元光伏器件，并引入微量PM6作为固体共轭聚合物添加剂，配合传统液体添加剂DIO进行协同微观形貌重塑。如图1所示，详细展示了给受体材料的化学结构、三层器件架构以及三者之间高度匹配的阶梯式能量级别排列。这种能量梯度的形成，为光生激子的解离与电荷的高效传输开辟了多条低阻抗的顺畅通道。
FIGURE 2 (a) Normalized absorption spectra of D18 and BTP-BO-4F films. OSCs with and without DIO+PM6 treatment, (b) absorption coefficient spectra of blended films, (c) J–V curves and (d) EQE spectra and integral _J_SC diagrams.
为了量化光伏性能的提升，团队测试了不同制备工艺下器件的电流密度-电压曲线及外量子效率光谱。如图2所示，相较于未添加任何助剂的空白对照组，经过DIO与PM6双添加剂协同优化后的器件表现出更为强烈的激子吸收响应。其开路电压提升至0.882 V，短路电流密度达到28.45 mA/cm²，填充因子高达77.14%，最终斩获了19.37%的突破性光电转换效率，且展现出极高的实验重现性。
FIGURE 3 OSCs with and without DIO+PM6 treatment (a) _J_ph–_V_eff curves, (b) EIS diagram (inset is equivalent fitted circuit), (c) _J_SC–_P_light and _V_OC–_P_light fitting curves, and (d) TPC curves.
电荷动力学分析进一步揭示了效率飙升的微观机制。如图3所示，利用光电流与有效电压曲线、电化学阻抗谱、光强依赖性测试以及瞬态光电流测量，清晰表明协同处理显著缩短了电荷抽取时间，将电荷收集效率大幅拉升至87.43%。数据证实，协同策略完美抑制了单分子陷阱辅助复合与双分子复合损失，这是开路电压与填充因子协同跃升的关键所在。
FIGURE 4 Contact angle of D18, PM6 and BTP-BO-4F films with H2O and DIM.
针对各组分间相容性的深入剖析，为形貌调控提供了直接证据。如图4所示，通过接触角测试并基于Wu模型计算得到的表面能参数表明，D18与聚合物添加剂PM6之间的Flori-Huggins相互作用参数低至0.029。如此极低的相互作用能意味着PM6在成膜过程中会选择性地与D18给体发生亲和交互，从而诱导给体相的纯化。
FIGURE 5 Films under different active layer preparation conditions (a) 2D GIWAXS diagram, (b) IP and (c) OOP line-cut profiles.
最后，二维掠入射广角X射线散射技术（GIWAXS）从分子层面上揭示了结晶度的改变。如图5所示，在面内与面外两个方向的面扫剖面中，协同处理后的薄膜其π-π堆积距离明显收缩至3.60 Å，而晶体相干长度显著增大。这有力证明了DIO与PM6的协同作用能够诱导更为紧密且定向的分子紧密堆积，从而构筑了兼具高迁移率与电荷平衡的立体传输网络。
总结及展望
本研究成功证实了共轭聚合物与卤代烷烃的协同机制在调控活性层微观形貌方面的巨大威力。得益于优化的相分离尺度与更纯净的给受体晶畴，器件不仅实现了19.37%的傲人效率，更在氮气手套箱中存放60天后依然能够保有90%以上的初始效率。该协同策略在诸如D18-Cl