常州大学朱卫国团队Chemical Engineering Journal研究：氘代固体添加剂策略构筑高效稳定的有机太阳能电池

第一作者：李博文，夏浩；通讯作者：朱卫国，宋欣，朱梦冰

单位：常州大学，香港理工大学

有机太阳能电池（OSCs）因轻质、柔性、可溶液加工等优势已成为新一代可再生能源技术的有力竞争者，然而，如何突破激子寿命短与形貌缺陷一直是OSCs领域的两大技术瓶颈。常州大学朱卫国团队最新发表于Chemical Engineering Journal的研究给出了创新解法！通过氘代对溴碘苯固体添加剂（p-IBrPh-d₄）替代常规质子化添加剂，实现了多重协同效应：（1）降低分子骨架的高频振动频率；（2）抑制激子-声子耦合作用；（3）延长激子寿命及扩散距离；（4）优化活性层分子堆积形貌；从而促进了器件能量转换效率（PCE）和热稳定性的同步提升。该策略在PM6:BTP-eC9二元OSCs体系中创下19.32%的PCE纪录，为开发高效稳定的OSCs提供了普适性解决方案。

基于此，常州大学朱卫国教授与宋欣教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Deuteration Solid Additive Strategy for High-performance and Thermally Robust Organic Solar Cells”的研究论文。本研究创新性地提出了氘代固体添加剂p-IBrPh-d₄策略，抑制激子-声子耦合和优化相分离形貌，显著提升了OSCs器件的性能。在PM6:Y6体系中实现了17.46%的PCE，并在PM6:BTP-eC9体系中创下19.32%的PCE记录。该工作系统阐明了氘代效应在延长激子寿命及扩散长度、降低非辐射复合损失、优化活性层形貌等方面的作用机制，为开发高效稳定的OSCs提供了新路径。

通过氘代对溴碘苯固体添加剂p-IBrPh-d₄的重原子效应，抑制PM6给体分子高频振动及激子-声子耦合，实现其激子寿命与扩散长度的协同提升，为高效OSCs激子动力学优化提供新策略。

图1. a) PM6、Y6、p-IBrPh及p-IBrPh-d₄的分子结构及其性能对比；b) PM6骨架与p-IBrPh-d₄/p-IBrPh的最优构型；c) 含p-IBrPh/p-IBrPh-d₄的PM6分子在S₀和S₁态的势能面。

要点二：氘代大原子位阻效应

通过氘代对溴碘苯固体添加剂p-IBrPh-d₄的大原子位阻效应，协同调控聚合物给体PM6与小分子受体Y6的分子堆积行为，增强其空间填充效应和分子间相互作用，显著增大了聚合物给体PM6与小分子受体Y6的晶域尺寸，并降低了活性层的自由体积分数，从而提升了其分子堆积密度。这种协同作用诱导形成了具有高度取向有序性的纤维状互穿网络结构，实现了优化的相分离形貌。

图2. a) 2D-GIWAXS图；b) IP/OOP散射强度分布；c) PM6:Y6薄膜AFM高度图；d) 形貌调控机制示意图。

要点三：氘代添加剂普适性

氘代固体添加剂策略展现了突出的普适性―基于PM6:Y6、PM6:BTP-eC9、PM6:L8-BO和D18:L8-BO四种体系的二元器件，经p-IBrPh-d₄氘代添加剂处理后，其光伏性能较对照组器件均获得显著提升。尤为突出的是，p-IBrPh-d₄处理的PM6:BTP-eC9二元器件创19.32%的PCE纪录。

图3. a) 器件结构示意图；b) PM6:Y6器件J-V曲线；c) PM6:Y6器件EQE曲线；d) PM6:BTP-eC9器件J-V曲线；e) PM6:BTP-eC9器件EQE曲线；f) 已报道添加剂处理的PM6:BTP-eC9二元器件PCE-Jsc关系图；g,h) PM6:Y6器件在氮气环境25℃/80℃下的归一化PCE随时间变化关系图。

要点四：未来展望

本研究开创性地提出了氘代固体添加剂作为普适性设计准则，成功解决了OSCs领域长期存在的激子动力学调控与活性层形貌调控难以协同这一关键科学问题，同时为基于同位素工程的下一代光电器件研发开辟了全新路径。

Deuteration solid additive strategy for high-performance and thermally robust organic solar cells

朱卫国教授简介：博士、二级教授、博士生导师，国务院特殊津贴专家，江苏省“双创计划”高层次人才，湖南省杰出青年基金获得者。曾任湘潭大学化学学院院长、研究生院院长；常州大学材料科学与工程学院院长。1986年在湘潭大学获化学专业学士学位，2000年在四川大学获有机化学博士学位，2002年在华南理工大学开展博士后研究(导师：曹镛院士)，2006年在英国谢菲尔德大学访问交流。2016年作为领军人才引进到常州大学。长期从事有机高分子光电子功能材料与器件研究，在有机光伏&发光材料及其器件研究方面取得了丰硕的成果。以第一单位、通讯作者署名在Nature Photonics、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Nature Communication等国际知名期刊上发表SCI论文150余篇。先后主持国家级课题8项，其中国家自然科学基金联合基金重点项目1项，获湖南省自然科学奖二等奖2项(排名第一)，授权中国发明专利20余件。