港理工李剛Nat. Energy：FF83.2%,PCE 21%的二元OSCs!通過苊調(diào)控兩步結(jié)晶策略實現(xiàn)

發(fā)表時間：2025-09-29 09:37

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主要內(nèi)容

非富勒烯受體（NFAs）的結(jié)晶動力學(xué)直接影響有機太陽能電池（OSCs）的活性層形貌與電荷傳輸特性，進而決定器件的光電轉(zhuǎn)換效率。然而，如何精準(zhǔn)調(diào)控活性層中給體-受體材料的分子堆積模式，始終是制約OSCs性能突破的關(guān)鍵科學(xué)難題。

針對這一挑戰(zhàn)，香港理工大學(xué)李剛教授團隊提出了一種基于結(jié)晶調(diào)控劑苊（acenaphthene）的兩步結(jié)晶策略。該策略通過誘導(dǎo)NFAs分子的分步自組裝：首先，苊分子通過非共價相互作用固定受體分子的初始堆積構(gòu)型；隨后，在熱退火過程中進一步優(yōu)化晶體框架，最終在活性層中形成長程有序的NFAs納米晶域。這種高度有序的分子排列構(gòu)建了多維電荷傳輸通道，使D18/L8-BO和PM1/L8-BO-X二元體系的電荷遷移率顯著提升。實驗結(jié)果表明，兩類器件分別取得了20.9%（認(rèn)證值20.4%）和21%（認(rèn)證值20.5%）的光電轉(zhuǎn)換效率，填充因子最高達83.2%（認(rèn)證值82.2%），創(chuàng)下了二元OSCs的效率新紀(jì)錄。

為深入揭示其作用機制，團隊結(jié)合原位吉布斯自由能分析與飛秒瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)，系統(tǒng)研究了結(jié)晶動力學(xué)過程：

1.溶劑蒸發(fā)階段：苊分子與NFAs形成超分子復(fù)合物，在溶劑揮發(fā)后數(shù)秒內(nèi)誘導(dǎo)受體分子發(fā)生預(yù)有序排列；

2.熱退火階段：隨著苊分子的熱解離，NFAs晶體經(jīng)歷從亞穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的相變，最終形成具有明顯布拉格衍射特征的單一晶相。

該研究不僅證實了分子堆積模式對OSCs性能的核心影響，更為通過結(jié)晶工程實現(xiàn)高效穩(wěn)定OSCs提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)范式。其提出的兩步結(jié)晶策略具有普適性，有望推動新一代光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程。

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文獻信息

Twostep crystallization modulated through acenaphthene enabling 21% binary organic solar cells and 83.2% fill factor

Jiehao Fu, Hongxiang Li, Heng Liu, Peihao Huang, Haiyan Chen, Patrick W. K. Fong, Top Archie Dela Pe?a, Mingjie Li, Xinhui Lu, Pei Cheng, Zeyun Xiao, Shirong Lu & Gang Li

https://www.nature.com/articles/s41560-025-01862-1