山大張茂杰AFM：雙功能噻吩衍生物順序結晶工程，將OSCs效率提升至20.5%

發表時間：2025-09-19 09:32

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主要內容

在體相異質結有機太陽能電池（BHJ - OSCs）領域，精準控制成膜動力學是優化活性層形貌、提升器件效率的核心要素。給體和受體材料在成膜過程中存在復雜的動力學耦合特性，這使得它們難以實現有序且分步的結晶，進而限制了電池性能的進一步提升。在此關鍵背景下，山東大學國家膠體材料工程技術研究中心的張茂杰教授、國霞教授帶領其團隊，聚焦這一難題開展深入研究，成功設計并合成了一種新型噻吩衍生物——1,2 - 二([2,3′-聯噻吩]-2′-基)乙炔（DBTE），旨在通過精準調控成膜過程中的結晶動力學，突破現有性能瓶頸。

團隊運用原位光譜分析技術深入探究DBTE的作用機制，發現其具有獨特的雙重功效。一方面，DBTE可作為成核劑，有效降低給體材料結晶的能壘，積極促進給體聚集體形成；另一方面，它能充當增塑劑，增加受體材料的鏈段運動能力，從而有效延緩受體聚集體形成。這一雙重作用成功打破了PM6:Y6共混物中原本的共結晶狀態，使給體（PM6）能夠優先實現有序排列，形成高度有序的結晶區域；而受體（Y6）的生長則受到明顯抑制，其結晶過程被有效調控。這種基于動力學解耦的精細調控機制，顯著改善了給體相中的分子有序堆積狀態，分子排列更加緊密且規則，同時形成了有利于電荷定向傳輸的垂直組分梯度。得益于這些積極變化，激子解離和電荷傳輸過程得到極大促進，光電轉換效率（PCE）從17.6%大幅提升至18.9%。

值得注意的是，該策略在D18:L8 - BO體系中也得到了有力驗證。團隊通過系統實驗和優化，成功獲得了高達20.5%（認證值為20.2%）的優異光電轉換效率，充分彰顯了該策略在不同材料體系中的普適性和有效性，為高性能有機太陽能電池的研發提供了新的通用策略。

進一步研究表明，本研究引入的具有強自聚集性和高結晶性的噻吩衍生物DBTE（該分子通過炔鍵巧妙連接聯噻吩單元）至非富勒烯基有機太陽能電池（OSCs）中，對調控體相異質結（BHJ）薄膜的結晶動力學發揮了關鍵作用。掠入射X射線散射、單晶X射線衍射、理論計算及原位光譜分析等一系列**技術手段的結果均表明，DBTE作為一種雙功能調節劑，能夠高效促進給體/受體分步結晶。它通過與給體和受體分子之間的特定相互作用，增強聚合物給體的分子堆積緊密程度，優化相分離形貌，使給體相和受體相形成適宜的尺寸和分布，并構建出有利于電荷傳輸的垂直組分梯度。這種**形貌轉變不僅進一步促進了激子擴散、電荷產生與傳輸，還顯著減少了電荷復合現象，降低了能量損失。

因此，基于PM6:DBTE:Y6的有機太陽能電池展現出了18.9%的**光電轉換效率（PCE），這一數值顯著高于未添加DBTE的器件（17.6%），主要得益于開路電壓（Voc）、短路電流密度（JSC）和填充因子（FF）的同步提升。同時，**PM6:DBTE:Y6器件的光穩定性也得到了顯著增強，估算的T??壽命（即效率降至初始值80%所需時間）高達2600小時，充分證明了該策略在提升器件穩定性方面的**效果。此外，該策略在D18:DBTE:L8 - BO器件中亦得到了成功驗證，實現了20.5%（認證值為20.2%）的優異光電轉換效率。

綜上所述，在張茂杰教授、國霞教授的帶領下，本研究提出的引入新型噻吩衍生物分子作為成核劑和增塑劑、精細調控薄膜形成動力學的策略，為優化高性能、高穩定性有機太陽能電池的BHJ形貌提供了創新性的解決方案。這一研究成果不僅在提升電池效率方面取得了顯著突破，還在穩定性提升和策略普適性方面展現出巨大優勢，有望推動有機太陽能電池技術向實用化邁進。

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