山东大学张茂杰&国霞教授团队AFM，新型无卤素挥发性固体添加剂助力二元有机太阳能电池效率突破19%

第一作者：韩晨雨，程博

通讯作者：张茂杰*，国霞*

单位：山东大学，苏州大学

低成本、高效率且环保型有机太阳能电池（OSC）的发展对于可穿戴电子器件的商业化至关重要。目前，提高有机太阳能电池能量转换效率（PCE）的常规策略是采用高沸点溶剂添加剂，其易产生残留和有害副产物，这给有机太阳能电池的长期稳定性和可持续发展带来挑战。尽管近期固体添加剂在提升效率和稳定性方面取得了一定的进展，但多数高效固体添加剂含有卤素，其挥发过程中可能对环境和人体产生危害，从而限制了其商业化应用的潜力。因此，开发新型高性能且无毒害的固体添加剂，并确保器件的长期稳定性，是推动OSC商业化进程的关键。

山东大学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“A Halogen-free and Universally Volatile Solid Additive Enables Binary Organic Solar Cells to Exceed 19% Efficiency”的研究论文。该文章提出了一种新型无卤素的挥发性固体添加剂DBM，可以同时增强给体和受体分子的有序堆积并延长激子扩散距离，从而获得了最高19.4%的PCE。这项工作不仅丰富了高效固体添加剂的选择，还为构建高效环保 OSCs 提供了一条前景广阔的途径。

图1. DBM的挥发性及其对给体和受体材料分子堆积的影响。

一般而言，有机半导体的光学性质与其在薄膜中的聚集和堆积行为密切相关。由紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）吸收光谱发现，在添加DBM后，PM6的0-0峰强度和吸收系数明显增强，表明其可以促进给体PM6的有序堆积。掠入射广角X射线（GIWAXS）分析发现，加入DBM添加剂后，给体和受体薄膜的π-π堆积距离明显减小，晶体相干长度（CCL）增大，表明给受体的分子堆积更为紧密，有序性增强。此外，由于结晶度的增加，在给体和受体薄膜的原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）测试结果中也能观察到明显的纤维结构。以上结果充分证实了DBM固体添加剂的引入可以有效地增强给体和受体的有序堆积。

要点二：DBM添加剂延长激子扩散距离

有机光伏器件中，激子向界面的有效扩散对于电荷传输和器件性能至关重要。飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）测试结果拟合表明，DBM固体添加剂处理后PM6和Y6薄膜的激子扩散距离显著延长，进一步热退火后，激子扩散距离分别增大至28.6纳米和38.6纳米。结果证明，DBM添加剂策略可以有效促进给体和受体域内的激子扩散，从而确保了足够的激子解离和有效的电荷传输，进而使得FF和JSC显著提升。

要点三：DBM添加剂在多种活性层材料体系的普适性

为了验证DBM添加剂在多种活性层材料体系的普适性，进一步探究了其在经典体系（PM6:BTP-eC9、PTQ10:m-THE、D18:N3和D18:L8-BO）中的表现。结果发现，添加DBM的器件相较于未添加的器件FF和JSC均有明显提升，表明DBM在多种类型高性能OSC的开发中具有出色的应用潜力，尤其是基于D18:L8-BO的器件中能够实现19.4%的高PCE。

要点四：总结与展望

本工作提出了一种通用的新型低成本、无卤素固体添加剂DBM，用于构建高效OSC。通过在活性层中引入DBM，以调控活性层的成膜动力学并优化共混膜形貌。良好混溶的DBM可以显著延长PM6和Y6的自组装过程，促进有序的分子堆积和均匀的纤维网络，从而延长了激子扩散距离并降低复合损失。经过DBM添加剂协同热退火处理的PM6:Y6二元OSC达到创纪录的PCE（18.7%）和优异的稳定性。令人惊喜的是，基于D18:L8-BO的OSC实现了19.4%的高PCE。综上所述，良好普适性的DBM固体添加剂，以及优异的成本效益和无卤特性，为高效环保型OSC的开发提供了有力的推动作用。

A Halogen-free and Universally Volatile Solid Additive Enables Binary Organic Solar Cells to Exceed 19% Efficiency

张茂杰教授简介：山东大学化学与化工学院教授，山东大学杰出中青年学者、国家优秀青年科学基金获得者、山东省杰出青年科学基金获得者，博士生导师。2018~2023年连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”。长期从事有机光伏领域的相关研究，内容主要包括新型有机光伏材料设计和高效率器件制备。发展了多种有效调制有机共轭材料光伏特性的新方法，制备了多种高效有机光伏材料；采用自主研发的新材料制备高性能有机光伏器件，能量转化效率始终保持在国际前列。2014年获北京市科学技术二等奖，授权发明专利13项。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Macromolecules等发表SCI论文150余篇，H因子70。担任期刊Science China Chemistry编委、Chinese Journal of Chemistry和Science Bulletin青年编委。

根据科研工作需要，本团队长期招聘事业编制博士后、教授、研究员、副教授、副研究员、助理研究员及科研助理等。另外每年招收硕士研究生3-4名（可保送可统招），博士研究生2-3名。

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研究方向

1、有机/钙钛矿太阳能电池光伏材料设计与合成

2、有机/钙钛矿太阳能电池器件表征与器件物理

3、其它光电子材料与器件物理方向