肖练钢副教授、闵永刚教授，CEJ：调节挥发性固体添加剂与电子受体之间的相互作用，实现光电转换效率效率为19.20%的有机太阳电池

第一作者：林睿颖

通讯作者：肖练钢*，

单位：广东工业大学，广州大学，劳伦斯伯克利国家实验室

可溶液加工的有机太阳能(OSC)电池，由于其柔性、质量轻和半透明性，在可持续能源技术领域受到了极大的关注。添加剂的使用作为一种直接有效的方法可以调控分子堆积，增强结晶度和改善共混膜的形貌，提高器件的光伏性能。然而，溶剂添加剂较差的挥发性，通常会降低OSC的可重复性和长期稳定性。可挥发性卤素固体添加剂由于与有机给受体材料之间明显的相互作用，在调控活性层的微观结构，提高OSC光伏性能和稳定性方面起着至关重要的作用。因此，深入研究新型高效固体添加剂对成膜微观形貌和OSC性能内在机制的影响具有重要意义。

广东工业大学肖练钢副教授和闵永刚教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Mediating Morphology Evolution via the regulation of Molecular Interactions between Volatile Solid Additives and Electron Acceptor to Enable Organic Solar Cells with 19.20% Efficiency”的研究论文。该文章提出了一种新型卤素可挥发性固体添加剂DBN，可以和受体L8-BO形成更有序的分子堆积，使D18:L8-BO共混膜表现出更有效的电荷传输和更小的电荷复合，从而获得了最高19.2%的PCE。这项工作突出了可挥发性卤化物固体添加剂在制备高效OSC中的潜力。

热退火后，FT-IR光谱中发现共混膜DBN特征峰的消失和DBN和L8-BO之间的表面静电相互作用，表明DBN的挥发性和DBN与L8-BO之间的强相互作用。由UV-vis-NIR吸收光谱中发现，在添加DBN后，D18的最大吸收峰略微红移，I₀₋₀/I_0-1增强，表明DBN诱导D18形成更有序的J-聚集排列。同时，DBN的加入增强了L8-BO的肩峰，并伴随起始吸收的红移。

图1：FT-IR光谱、表面静电势分布和UV-vis-NIR吸收光谱

要点二：器件光伏性能分析

通过器件物理表征可以发现，相比标件，经过DBN优化后器件PCE的提高主要来源于更高的平均载流子迁移率和激子解离效率；同时，加快了电荷提取时间，增加了载流子寿命；以及器件内部更弱的双分子复合和更小的陷阱辅助复合。这些也是在DBN优化后电流增加的主要原因之一。

图2：器件物理表征

要点三：DBN添加剂促进激子解离和电荷传输

本研究探讨了在800 nm光激发下，共混膜中空穴转移（HT）过程。通过提取590 nm处D18给体的GSB信号，拟合其上升和衰减两个阶段。结果发现，在经过DBN优化后，激子在界面处的解离时间和激子在域内扩散时间减小了，并且增加了电荷复合时间，表明DBN的加入促进了激子解离，抑制了电荷复合。而从TRPL中可以发现，DBN优化后平均荧光寿命减小，表明激子有效解离成自由电荷。

图3：瞬态吸收光谱和TRPL测试

要点四：DBN的优化增强了共混膜分子的有序堆积

通过薄膜的原子力显微镜（AFM）测试能观察到明显的纤维结构和更低的表面粗糙度。掠入射广角X射线（GIWAXS）分析发现，加入DBN添加剂后，共混膜的π-π堆积距离明显减小，晶体相干长度（CCL）增大，表明更为紧密有序的分子堆积，增加了共混膜的结晶度。

图4：共混膜AFM高度图、相图和GIWAXS图

Mediating Morphology Evolution via the regulation of Molecular Interactions between Volatile Solid Additives and Electron Acceptor to Enable Organic Solar Cells with 19.20%

肖练钢副教授简介：2018年博士毕业于华南理工大学，期间在劳伦斯伯克利国家实验室联合培养。2019年加入广东工业大学，现为材料于能源学院副教授。长期从事光电材料与器件以及聚酰亚胺材料的研究。目前已在Joule, Nature Communications., Adv. Mater., 等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文40余篇，被引用2000 余次。