陈军武教授、张连杰副教授，AM: 硅氧烷修饰的卤代噻吩添加剂构筑纤维状活性层，实现有机太阳能电池空气加工高性能- 大数跨境

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陈军武教授、张连杰副教授，AM: 硅氧烷修饰的卤代噻吩添加剂构筑纤维状活性层，实现有机太阳能电池空气加工高性能

科学材料站

2025-09-05

导读：陈军武教授、张连杰副教授，AM: 硅氧烷修饰的卤代噻吩添加剂构筑纤维状活性层，实现有机太阳能电池空气加工高性能

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文章信息

硅氧烷修饰的卤代噻吩添加剂构筑纤维状活性层，实现有机太阳能电池空气加工高性能

第一作者：陈星

通讯作者：陈军武*，张连杰*

单位：华南理工大学

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研究背景

有机太阳能电池（OSCs）的功率转换效率（PCE）目前已突破20%，显示出巨大的商业化潜力。然而，当前性能最优的器件通常需要在惰性气氛（如氮气手套箱）中制备，这导致实验室研究成果与空气环境下大规模生产之间存在显著差距。尤其是在空气环境中加工时，湿度控制是实现高性能面临的主要挑战之一。

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文章简介

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室陈军武教授课题组，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Siloxane-Tethered Halogenated Thiophene Additives Enable Excellent Fibrillar Morphology and Air Processing for High-Performing Polymer Solar Cells”的文章。该文章报道了三种新型设计的硅氧烷修饰的卤代噻吩添加剂（Cl-Th-SiO、Br-Th-SiO和I-Th-SiO）。在高性能D18:L8-BO体系中，该类添加剂可诱导活性层形成纤维状网络形貌，促进激子解离与电荷传输，并降低陷阱态密度，从而显著提升OSCs器件性能。其中，Cl-Th-SiO因具有最大偶极矩，可与D18和L8-BO产生最强相互作用，使两者形成更紧密的π-π堆叠，表现出最优性能：其在手套箱中制备的器件效率达20.64%（认证效率20.11%）；在60%与90%高湿空气中制备的器件仍分别保持20.45%和20.19%的高效率，是目前空气加工活性层的最高纪录。该研究为空气环境下制备高性能OSCs提供了有效的添加剂设计策略。

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本文要点

要点一：分子动力学模拟与形貌分析

图1.（a）D18, L8-BO, Cl-Th-SiO, Br-Th-SiO 和 I-Th-SiO的ESP分布和偶极矩。（b）添加剂与D18，L8-BO之间最稳定构象的俯视图以及理论计算得出的结合能。（c）D18 纯薄膜以及（d）L8-BO 纯薄膜在加入不同添加剂后所拍摄的原子力显微镜高度图。

图2.（a）D18:L8-BO共混薄膜的不同添加剂处理后的原子力显微镜高度图像，（b）红外-原子力显微镜图像，以及（c）透射电子显微镜图像。

要点二：光伏性能和电荷转移动力学分析

图 3.（a）基于D18:L8-BO体系优化后的二元器件在不同添加剂处理下的J-V 曲线和（b）EQE曲线。（c）基于10个器件在不同添加剂处理后的OSC器件效率分布图。(d)基于D18:L8-BO的OSCs在不同添加剂处理后的电子和空穴迁移率。（e）Jph-Veff 曲线，（f）光强对 Voc 和 Jsc 的影响。（g）归一化的 TPV 曲线，以及（h）归一化的 TPC 曲线。（i）不同添加剂处理的OSCs的 DOS分析。

要点三：空气加工性能和在不同湿度空气中加工的活性层形貌比较

图 4. （a）分别在N2手套箱中或在相对湿度为60%和90%空气下制备的D18:L8-BO体系（有/无添加剂）所得的10个独立器件的平均PCE 值。（b）无添加剂及Cl-Th-SiO添加剂加工的 D18:L8-BO 共混薄膜的原子力显微镜高度图像，以及（c）在相对湿度为 60%或 90%的空气中处理后的这些薄膜的透射电子显微镜图像。

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结论与展望

本研究设计合成了三种硅氧烷链段修饰的卤代噻吩添加剂（Cl-Th-SiO、Br-Th-SiO与I-Th-SiO），可有效在空气环境中制备具有纤维状形貌与耐湿性的活性层。AFM与TEM图像明确显示，经添加剂处理的D18:L8-BO共混膜形成纤维状网络结构，其器件表现出更高的激子解离效率、改善的电荷传输以及更低的陷阱态密度。光伏性能方面，无添加剂对照组在氮气中制备的器件效率为18.59%，在60%和90%湿度空气中则分别降至17.30%和16.60%。而使用Cl-Th-SiO、Br-Th-SiO和I-Th-SiO在氮气中制备的器件效率分别提升至20.64%、20.49%和19.93%，其中Cl-Th-SiO器件获认证效率20.11%。在空气加工中，在RH 60%湿度下三者效率仍达20.45%、20.26%和19.60%，RH 90%高湿环境下也保持在20.19%、20.03%和19.43%。该添加剂策略为空气环境制备高性能OSCs提供了有效途径。

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文章链接

Siloxane-Tethered Halogenated Thiophene Additives Enable Excellent Fibrillar Morphology and Air Processing for High-Performing Polymer Solar Cells

http://doi.org/10.1002/adma.202512197

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通讯作者简介

陈军武教授简介：华南理工大学材料学院教授，国家杰出青年科学基金获得者，广东省珠江学者特聘教授，博士生导师。2005年教育部新世纪优秀人才，2008年广东省“千百十工程”省级培养对象，2012年国家杰出青年科学基金获得者，2013年获评广东省珠江学者特聘教授，2015年国家自然科学基金委创新群体骨干成员。从事有机半导体材料及其光电器件性能研究，在Acc. Chem. Res., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Chem. Mater., Macromolecules等学术期刊发表SCI收录论文160余篇。代表性工作包括：首先提出了聚集诱导发光（AIE）的转动受限 RIR 机制，有力推动 AIE 科学的发展；开展了多系列含 silole 聚合物的研究；发展了多种光电器件阴极界面修饰聚合物材料；通过强链间聚集构筑高迁移率共轭聚合物给体材料，面向印刷加工实现了高效率厚膜光伏器件；提出利用硅氧烷封端侧链的低表面能性质来优化活性层形貌和忍耐高湿度下空气加工；提出利用快干型添加剂优化活性层形貌。获国家自然科学奖二等奖两项（2010年和2015年，排名第四）。Elsevier 2020-2024年中国高被引学者（材料科学与工程）。

张连杰副教授简介：华南理工大学材料学院副教授、硕士生导师，博士毕业于华南理工大学，“吴小兰教书育人奖”获得者。研究方向为高性能聚合物材料、受体及界面材料的开发，开展有机材料光、电、磁、热等特性研究及其器件制备，在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A,等学术期刊发表SCI收录论文90余篇，被SCI他引2000余次；专利申请8项，授权专利2项。

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第一作者简介

陈星：华南理工大学材料科学与工程专业2022级博士研究生，导师陈军武教授，首届中国科协青年人才托举工程博士生专项计划获得者。研究方向为有机半导体材料与光电器件性能研究，以第一作者/共同一作在Adv. Mater., Chem. Eng. J., Sci. China Chem., ACS Appl. Mater. Interfaces,等学术期刊发表SCI收录论文10余篇。