19.23%有机太阳能电池效率：广西大学阚志鹏等通过双给体调制活性层的结晶性质实现

研究背景

有机太阳能电池(OSC)因便携性、灵活性和适应性等特性备受关注。随着非富勒烯受体(如Y6及其衍生物)的发展，单结OSC和串联器件的功率转换效率(PCE)已突破20%。除化学材料结构外，非辐射复合以及陷阱辅助电荷复合，已成为限制OSC PCE进一步提升的主要因素。因此，减少非辐射复合是提高OSCs性能的实际方法。为此，应用了优化方法，如溶剂的选择、添加剂的调节、第三组分的引入、界面工程以及各种后处理方法。

Dual-Donor-Induced Crystallinity Modulation Enables 19.23% Efficiency Organic Solar Cells

Anhai Liang, Yuqing Sun, Sein Chung, Jiyeong Shin, Kangbo Sun, Chaofeng Zhu, Jingjing Zhao, Zhenmin Zhao, Yufei Zhong, Guangye Zhang, Kilwon Cho & Zhipeng Kan

Nano-Micro Letters (2025)17: 72

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01576-1

本文亮点

1. 利用结构类似且结晶性不同的双给体调制活性层的结晶性质，使有机太阳能电池的效率达到了19.23%。

2. PTzBI-dF的引入抑制了陷阱的积累和电荷复合，使得三元器件在照射800小时后能够保持其初始功率转换效率(PCE)的82%。

3. 用于调制活性层结晶性的双给体策略适用于多种Y6衍生物，PCE的增加超过了1%。

内容简介

添加第三个组分是一种可行的方法，可以拓宽吸收光谱、调节能级、改善结晶性/相分离、增加电荷传输和转移性能，并可能抑制自由电荷复合，从而提高有机太阳能电池的光伏性能。随着有机半导体材料数量的增加，可以选择作为第三个组分的材料种类繁多。选择第三个组分的一个实用方法是筛选客体和主体材料之间的相容性。尽管这种方法是有方向性的，接触角测试有一定的不可控因素会影响结果。因此，选择能够优化活性层形态并减少电荷复合的第三个组分仍然是一个挑战。

广西大学阚志鹏等人提出了一种候选材料的选择策略：即选择那些与给体材料结构相似但展现出不同分子聚集特性的客体材料。为了验证这一策略的有效性，选择了D18衍生物和Y6作为主体系统，并引入宽带隙聚合物给体PTzBI-dF作为第三组分。相较于D18-Cl，PTzBI-dF在薄膜中的结晶度较低，但仍保持了与D18-Cl及D18的结构相似性。实验结果表明，在D18-Cl:Y6和D18:Y6两种系统中，分别实现了18.60%和18.84%的优化功率转换效率，其中基于D18:Y6的器件展示了当前铸态器件中最高的性能水平。特别地，通过向活性层引入0.5%的1,8-二碘辛烷，进一步改善了其结晶特性，从而将设备效率提升至19.23%。由PTzBI-dF所引发的独特晶体结构及其特性显著优化了D-A网络和相分离的结晶度。除形态学上的变化外，作为三元体系中额外的组分，PTzBI-dF还能够同时减少电流泄漏、提高电荷载流子迁移率并抑制双分子复合现象。因此，PTzBI-dF的加入促进了更为紧密有序的分子堆积，增强了活性层的结晶质量，为有效的激子解离和电荷传输提供了途径，这些协同作用共同提升了活性层的结晶性和系统的整体功率转换效率。该研究为高效三元有机太阳能电池中第三个组分的选择和设计提供了宝贵的指导原则。

图文导读

I 光物理性质

图1a绘制了D18-Cl、PTzBI-dF和Y6的化学结构。图1b显示了D18-Cl、PTzBI-dF和Y6的吸收光谱。如图1c所示，在添加适量PTzBI-dF后，从400到710 nm的三元混合薄膜的吸收强度增强。图1d描述了D18-Cl:PTzBI-dF的比例为0.8:0.2时，混合薄膜的PL强度是纯薄膜D18-Cl或PTzBI-dF的1.8倍，表明从D18-Cl到PTzBI-dF的有效能量转移。

图1. (a) D18-Cl、PTzBI-dF和Y6的分子结构; (b) 纯D18-Cl、PTzBI-dF、Y6薄膜以及 (c)混合薄膜的归一化吸收光谱; (d) 在500 nm激发下不同比例的D18-Cl:PTzBI-dF混合薄膜的光致发光光谱。

II 光伏性能

如图 (2a-c)所示，在体系D18-Cl:Y6中引入PTzBI-dF，制得的器件具有更优异的光伏性能。在2d-f中，三元器件的电子迁移率(μe)和空穴迁移率(μh)都有所提高，分别增加到11.60 × 10⁻⁴和11.00 × 10⁻⁴ cm²V⁻¹s⁻¹。

图2. (a) 优化后的二元和三元有机太阳能电池的J-V特性曲线; (b) 外部量子效率(EQE)光谱，以及(c) 暗电流J-V曲线; (d-e) 暗电流密度作为施加电压的函数。实线是对实验数据(散点)的拟合：(d) D18-Cl:Y6，(e) PTzBI-dF:Y6，以及(f) D18-Cl:PTzBI-dF:Y6。

III 电荷动力学表征

对器件进行了时间分辨特性测试，以进一步研究电荷动力学(图3a-c)。电荷提取时间的缩短和载流子寿命的增加意味着三元器件具有更高的电荷迁移率和更少的电荷复合，这有利于提高器件的JSC和FF。如图3d-f，使用傅里叶变换光电流光谱外部量子效率(FTPS-EQE)和外部量子效率电致发光(EL-EQE)来研究电荷复合。

图3. (a) 瞬态光电压; (b) 瞬态光电流; (c) 线性增加电压电流的瞬态光致电荷提取; (d) 二元和三元有机太阳能电池详细能量损失的比较; (e) EU是Urbach能量; (f) 二元和三元器件的外部量子效率电致发光(EL-EQE)。

IV 微观结构特征

利用原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)探究薄膜微观结构变化对电子性质的影响中，发现D18-Cl：PTzBI-dF：Y6薄膜的表面粗糙度略有增加，进一步提升了晶体性能。TEM图像显示，不同供体-受体(D-A)网络具有不同聚集特征。PTzBI-dF：Y6薄膜因PTzBI-dF的低结晶性而表现出较少的相分离和较弱的结晶度。相比之下，D18-Cl：Y6薄膜具有更大规模的相分离和更强结晶度，可能会对器件性能不利。但D18-Cl：PTzBI-dF：Y6共混物优化了D-A网络和结晶度，会有助于减少电荷复合损失，从而提升光电转换效率。

图4. (a) AFM图; (b)TEM图。

掠入射广角X射线散射(GIWAXS)研究显示，纯薄膜中PTzBI-dF的π-π分子间相互作用较弱且晶体特性较低，Y6薄膜显示出明显的衍射峰。D18-Cl、PTzBI-dF与Y6的峰位置、d间距有所不同，且活性层较低结晶度可能导致其性能问题。

图5. (a) 纯膜的2D GIWAXS图案; (b) 混合膜的2D GIWAXS图案。(c-d) 混合膜的一维图。

V 总结

研究表明，PTzBI-dF作为一种与D18及其衍生物结构相似的材料，能够有效地调节三元混合物中活性层的形态，从而显著提升光伏性能，实现了超过19%的功率转换效率。PTzBI-dF诱导形成的先进结晶结构，连同其精心对齐的能级和互补的光吸收特性，在这些性能增益中扮演了关键角色。通过引入PTzBI-dF，观察到了电流泄漏的有效减少、电荷载流子迁移率的提高、非辐射电荷复合的抑制以及能量损失的降低。这些改进共同作用，不仅优化了活性层的微观结构，还增强了器件的整体光电转换能力。这些发现强调了引入具有结构相似性但具备不同聚集特性的材料作为第三组分，是优化有机太阳能电池活性层的一种直接而有效的方法。这为设计高效能的三元有机太阳能电池提供了重要的指导原则，特别是在选择第三种成分时，应考虑其是否能在保持原有材料结构特征的同时，带来独特的物理化学性质，以促进器件性能的全面提升。

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