广西大学阚志鹏教授， Advanced Science ：双添加剂调节非富勒烯受体相促使二元有机太阳能电池效率突破19.59%

第一作者：白亮

通讯作者：阚志鹏*

单位：广西大学

非富勒烯受体因其结构多样性、能级水平可调、近红外吸收等优势而受到广泛关注。非富勒烯受体的结构有序性和聚集行为在决定有机太阳能电池的光电转换效率中起着至关重要的作用。然而，小分子非富勒烯受体通常具有较短的共轭长度，受体和给体之间的电荷转移效率在很大程度上取决于它们的共轭和聚集行为。因此，开发新型的策略来调控非富勒烯受体聚集是提高有机光伏性能的关键。

广西大学阚志鹏教授团队，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Modulating Acceptor Phase Leads to 19.59% Efficiency Organic Solar Cells”的研究论文。该文章提出了一种调节非富勒烯受体聚集行为的新策略，即结合挥发性固体添加剂BA和高沸点添加剂CN。该策略能够调控一系列非富勒烯受体的聚集，观察到薄膜表面形貌发生重大改变，尤其是促进了L8-BO中分子结构致密的细纤维的形成，在活性层中实现激子解离和电荷收集之间的最佳平衡。结果表明，在700-850纳米波长范围内，最佳设备的外部量子效率显著提高。最终，获得了最高19.59%的PCE。这些结果揭示了一种方便有效的控制非富勒烯受体形态并提高有机太阳能电池光伏性能的方法，为更高效、实用的有机光伏技术铺平了道路。

图1. 添加剂对给体受体分子聚集和表面形貌的影响

首先利用密度泛函计算了BA添加剂和给受体的相互作用，通过不同添加剂处理的薄膜光学性质和表面形貌表明添加剂对于受体调控要明显强于给体。Gaussian拟合和AFM证明Y6：CN+BA薄膜具有适度的J-聚集， 良好的表面形貌，掠入射广角X射线（GIWAXS）分析发现，双添加剂策略能够促进Y6实现更有序的分子堆积，减小空间位阻，晶体相干长度的增大也表明了薄膜具有更好的结晶度。根据in-situ absorption分析表明，双添加剂处理的薄膜具有更长的结晶时间并可观察到吸收峰缓慢变化的过程，最终实现了更有序的分子堆积和更高结晶度。以上结果充分证明了该策略能有效的调控受体的聚集。

图2. Y6、Y6:CN、Y6:BA和Y6:CN+BA旋涂过程中的原位吸收

要点二：调节非富勒烯受体相促进器件光伏性能

制备了正置体异质结器件来评估双添加剂调控受体相对光伏性能的影响。J-V表明PCE的提高主要来源于JSC和FF的提高。值得注意的是，在700 nm后，观察到受体的EQE值显著提高，这也是其电流增大的主要原因之一。通过时间分辨光电测量以了解载流子动力学，结果表明电荷提取加快（TPC）,载流子寿命变长（TPV）,以及更低的双分子重组能（photo-CELIV）。以上分析表明使用双添加剂调节受体形态的方法显著改善了OSCs的FF和JSC。通过AFM和GIWAXS表征了混合薄膜的微观结构变化情况，结果表明双添加剂的使用提高了活性层的结晶度，从而提高了载流子的输运性能。

图3. 器件的不同光伏参数表征

要点三：固&液添加剂在多种非富勒烯受体材料的普适性

为了验证双添加剂策略的普适性，进一步探究了双添加剂对其他BTP衍生物（BTP-eC9、N3、L8-BO）聚集行为的影响。结果发现，添加双添加剂后的薄膜表面形貌同样发生了极大的改变，尤其是在L8-BO中可观察到致密的纤维结构形成。基于PM6:L8-BO的器件获得了19.59%的冠军PCE，是目前二元BHJ器件的最高记录之一。PM6:L8-BO （CN+BA）的EQE谱在700 ~ 850 nm范围内显著增强，表明CN和BA添加剂的协同作用增强了受体材料的光子到电子转换，与PM6:Y6 （CN+BA）体系的结果一致。这也充分证明了通过双添加剂方法调制受体相位的可行性。

图4. 基于L8-BO的表面形貌及光伏参数

要点四：总结与展望

本工作通过双重添加剂策略调节了BTP基非富勒烯受体（NFAs）的聚集行为，促进了L8-BO中形成具有密集分子结构的精细纤维。改变受体形态有助于更有序的层状堆积和π-π堆叠，从而导致有利的相分离、增强的分子堆叠和提高的结晶度，这导致了更高的电荷迁移率。优化的受体形态促进了激子扩散和分离，减少了电荷提取时间，提高了载流子寿命，加速了电荷传输，并抑制了电荷复合，从而提高了PM6:Y6、PM6:L8-BO、PM6:BTP-eC9和PM6:N3的有机太阳能电池（OSCs）的光伏性能。具体来说，采用双重添加剂处理的PM6:Y6组成的器件实现了18.27%的PCE，而PM6:L8-BO达到了19.59%的PCE。这些结果突出了控制NFAs形态以提高OSCs性能的有效性，为开发更高效、实用的添加剂提供了宝贵的见解。

Modulating Acceptor Phase Leads to 19.59% Efficiency Organic Solar Cells

阚志鹏教授简介：广西大学物理科学与工程技术学院的教授，博士生导师。2003至2015年，于广西大学、中国科学院固体物理所及米兰理工完成学士至博士学习。曾在沙特阿卜杜拉国王科技大学太阳能中心与中国科学院重庆绿色智能技术研究院开展过研究工作。一直从事有机光电材料与器件物理相关研究，主持过国家自然基金面上及广西自然基金杰出青年等多个项目；作为通讯作者，在Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，和Adv. Sci. 等期刊发表超40余篇论文。

根据科研工作需要，本团队长期招聘博士后、事业编制助理教授和副教授等。

招聘方向：薄膜光伏器件、器件物理、超快光谱、器件模拟等相关研究方向。

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