山东大学张茂杰教授研究团队最新AFM：通过双功能噻吩衍生物实现顺序结晶工程助力有机太阳能电池效率突破20.5%

共同第一作者：霍玉淼，程博

通讯作者：张茂杰，国霞

单位：山东大学

有机太阳能电池（OSCs）凭借柔性、低成本及溶液可加工性成为光伏领域的研究热点，控制薄膜形成动力学对于优化体异质结有机太阳能电池（BHJ-OSCs）中活性层的形貌和效率至关重要。然而，由于给体与受体材料之间的结晶动力学相互耦合、高度交织，易形成“共结晶”，导致分子排列混乱、激子解离效率低、电荷传输受阻，最终限制器件的效率与稳定性。本文首次通过单一分子实现“给体提前结晶+受体延迟结晶”的双向调控，为BHJ形貌优化提供新范式。

近日，来自山东大学的张茂杰教授和国霞教授团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Sequential Crystallization Engineering via a Dual-Functional Thiophene Derivative Boosts Organic Solar Cell Efficiency to 20.5%”的研究论文。该研究设计与开发了一种噻吩衍生物双功能调节剂：作为成核剂，提供“异质成核位点”，加速给体的聚集与有序排列，推动给体优先结晶；作为增塑剂，减缓受体的聚集速度、延长其结晶生长时间，避免与给体“共结晶”，实现“给体先结晶、受体后生长”的顺序结晶动力学，从而实现效率和稳定性的共同提升。这项工作为高效稳定OSCs的制备提供简单可行的方案，推动有机光伏向产业化迈进。

在OSCs中，BHJ光活性层的结晶形貌（如分子堆积质量、相分离尺度、垂直组分分布等）直接决定激子解离、电荷传输效率与器件性能。但薄膜快速形成过程中，给体与受体的结晶动力学相互交织，难以实现热力学平衡，易发生共结晶现象，导致分子堆积无序、相分离尺度不佳，限制器件效率提升。此前虽有调控结晶的策略（如调控结晶速率、引入单功能添加剂），但多存在局限仅能调控单一组分（给体或受体），或需多组分材料且兼容性难以保障，无法实现“给体优先有序堆积、受体延迟生长”的动力学解耦与顺序结晶。因此，设计DBTE通过其特殊结构与作用机制，打破给体-受体共结晶，诱导两者形成优化的结晶顺序。

设计DBTE时，研究团队充分利用了噻吩类材料与炔键的结构特性，为其双功能调控奠定基础：噻吩类共轭小分子本身具备平面性、芳香性、稳定性及成本优势，且与聚合物给体存在结构同源性，可通过强分子间相互作用（如π-π堆叠、C-H…π作用）诱导给体聚集，增强给体相的分子堆积有序性；炔键（sp杂化）具有高电负性与吸电子特性，不仅能加强DBTE与受体的相互作用，还可扩展分子共轭体系，进一步提升给体的分子堆积质量。这一结构设计为DBTE同时调控给体与受体结晶提供了结构基础。

现有部分调控策略需引入多组分添加剂（如分别作为成核剂的D18-Cl与作为增塑剂的AITC），虽能一定程度调控结晶，但存在多组分材料兼容性差、作用机制复杂且难以精准协同的问题，尚未形成普适性强的简单方案。因此，设计合成了具有“单组分双功能”的DBTE在体系中发挥着双重作用：一方面，由于其与聚合物给体具有结构相似性和强相互作用，它作为成核剂促进给体分子提前聚集并形成高度有序的face-on取向，增强给体相的结晶性和电荷传输能力；另一方面，DBTE与受体之间存在较弱的相容性或一定的空间位阻效应，起到增塑剂的作用，延缓受体分子的聚集速率，抑制其过早结晶，避免形成大尺度纯相或无序混合区。这种“单组分双功能”设计规避了兼容性问题，且作用机制明确，为高效OSCs提供了简单可推广的形貌调控策略。

Sequential Crystallization Engineering via a Dual-Functional Thiophene Derivative Boosts Organic Solar Cell Efficiency to 20.5%