李剛&李順樸AM：聚集態調控與添加劑工程實現500nm活性層高效（約18%）OSCs

主要內容

厚膜有機太陽能電池（OSCs）在推動大規模生產方面具有關鍵意義。然而，傳統依賴高蒸氣壓溶劑的方法，由于難以實現對電池形態的有效控制，嚴重限制了此類電池的效率提升。

在此背景下，深圳技術大學張光燁副教授、李順樸教授與香港理工大學李剛教授、馬睿杰教授強強聯合，帶領團隊開展深入研究。該團隊報告了一項系統性的溶劑和添加劑工程策略，通過加速固化實現聚集態調控，并增強電子特性，有效提升了厚膜（>300納米）OSCs的性能。

研究中，團隊采用源自聚合物給體PM6和D18 - Fu的兩種低聚物作為固體添加劑來制備活性層。表征結果顯示，源自D18 - Fu的低聚物與苯并二呋喃給體（D18 - Fu）和受體（L8 - BO - X）的相互作用更強，有效抑制了電子 - 聲子耦合，使給體 - 受體纖維化更趨平衡，還增強了分子面朝上的取向。經該低聚物處理的器件，光電轉換效率（PCE）得到顯著提升。同時，由于這兩種添加劑與源自D18 - Fu的低聚物結構兼容，它們增強了器件的厚度耐受性，使器件性能更優。

特別值得關注的是，團隊使用非鹵化溶劑甲苯加工的器件，展現出高PCE和優異的厚度耐受性。其中，厚膜器件（500納米活性層）的獨立認證PCE約為18%，創下厚膜OSCs的效率紀錄。與薄膜（100納米）器件（PCE>19%）相比，其性能并無顯著下降。

此外，團隊以D18 - Fu作為聚合物給體制備高效厚膜OSCs時發現，D18 - Fu在甲苯中的溶解度遠低于在氯仿（CF）中的溶解度。這種顯著的溶解度差異引發大量預聚集現象，為實施有效的聚集抑制策略（如熱鑄法和添加劑工程）創造了條件。研究采用基板預熱法獲得光滑致密的薄膜，同時使用的兩種源自聚合物給體（PM6和D18 - Fu）單體的固體低聚物添加劑發揮了重要作用。

對比研究表明，添加劑A1 - 1（一種結構與D18 - Fu類似的低聚物）與給體和受體材料的相互作用更強。密度泛函理論（DFT）計算進一步證實，A1 - 1在抑制電子 - 聲子耦合方面效果更優。形態表征顯示，這些添加劑（尤其是A1 - 1）優化了給體 - 受體纖維的長度尺度，促進了分子面朝上的取向，進而提高了激子解離和電荷傳輸的效率。

最終，團隊使用具有工業可行性且環境可持續的溶劑甲苯，制備出活性層厚度為500納米的OSCs，其PCE接近18%（經獨立認證為17.42%）。這一**性能是厚膜OSCs研發領域的重大突破，同時也為厚膜OSCs的形態控制提供了重要的基礎性見解。

文獻信息

High Efficiency (～18%) Organic Solar Cells with 500 nm-Thick Toluene Cast Active Layer by Aggregation Manipulation and Additive Engineering

Lu Chen, Jicheng Yi, Yulong Hai, Ruijie Ma, Xinyu Jiang, Top Archie Dela Pe?a, Tianchen Pan, Jiaying Wu, Stephan V. Roth, Peter Müller-Buschbaum, Shunpu Li, Gang Li, Guangye Zhang

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202508209

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