李熊教授， Advanced Functional Materials观点： 双添加剂助力打造高效率准体异质结有机太阳能电池

第一作者：张封华，代庭婷

通讯作者：李熊*

单位：北京工商大学，北京交通大学

有机太阳能电池（OSCs）因其质轻、柔性、易于大面积制备等特点而受到广泛关注。随着Y系列非富勒烯受体材料的快速发展，单结OSCs的能量转换效率（PCE）已接近20%。除了新型材料的研发，活性层的形貌对光伏性能也至关重要。传统的体异质结（BHJ）结构虽然提供丰富的激子接触界面，但过多的D/A界面易导致双分子复合和能级无序，且形貌调控复杂。因此，开发简单有效的策略优化活性层形貌是提升OSCs性能的关键。

近日，北京工商大学的李熊教授课题组，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Dual Additive-Assisted Layer-by-Layer Processing for 19.59% Efficiency Quasi-Bulk Heterojunction Organic Solar Cells”的文章。该文章通过采用双添加剂辅助逐层沉积策略制备D18/L8-BO 有机太阳能电池，形成具有大给体/受体互穿区域的垂直组成分布活性层，获得了19.59% 的PCE。

图2a,b,c给出了给体材料D18、受体材料L8-BO以及添加剂DIM和DIO 的化学结构。图2d,e给出了LbL沉积法制备给体层和受体层的工艺流程及活性层形貌，双添加剂的使用使得活性层中形成了给体层/受体层在底部/顶部富积、中间区域为给受体相互交织的准体异质结（QBHJ）活性层形貌，图2f为器件结构示意图，图2g给出了D18和L8-BO能级结构，D18和L8-BO合适的LUMO和HOMO能级有利于激子的解离和电荷输运。

通过瞬态光电流（TPC）和瞬态光压（TPV）测量（图3a,b），研究载流子传输和复合动力学特性。D-QBHJ（使用DIM和DIO双添加剂）器件较短的载流子提取时间和长的载流子寿命，说明双添加剂的使用促使了载流子高效传输，并抑制了载流子复合。利用光强与开路电压和短路电流密度的关系进一步研究了载流子复合特性（图3c,d），结果表明，N-QBHJ（未使用添加剂）和D-QBHJ器件中都存在着陷阱复合和双分子复合，以双分子复合为主，D-QBHJ器件的复合更弱。采用线性增压光诱导载流子提取技术（photo-CELIV）研究了载流子迁移率（图3e），双添加剂将载流子迁移率从N-QBHJ器件的1.56×10⁻⁴cm²V⁻¹s⁻¹提升到D-QBHJ器件的2.37×10⁻⁴ cm²V⁻¹s⁻¹。图3g,h分别为D18/L8-BO器件和D18：DIM/L8-BO：DIO器件在不同光强下的瞬态光电流，通过积分可得D18：DIM/L8-BO：DIO器件具有更高的载流子密度（图3i）

D18薄膜的RMS粗糙度为1.200nm（图4a），添加DIM添加剂将D18薄膜的RMS粗糙度提高到2.790nm（图4b）。给体层的粗糙度的增加表明DIM促使D18薄膜的更强结晶，这有利于受体材料渗透到内部，增加给/受体接触界面的，从而提高激子解离效率并产生更高的光电流。对于L8-BO薄膜（图4c，d），DIO对表面形貌没有显著影响，只是将RMS粗糙度从0.629略微增加到0.631 nm。随着L8-BO层在D18层表面的沉积，L8-BO分子使D18薄膜更平滑，LbL法制备薄膜的RMS粗糙度都有所降低（图4e，f，g，h）。薄膜深度相关的吸收谱进一步研究了活性层中给受体的垂直相分离（图4i，j，k，l），未使用添加剂时， L8-BO主要分布在活性层上半部分，而随着DIM和DIO添加剂的使用，L8-BO 能够更有效地扩散到D18:DIM/L8-BO:DIO活性层薄膜的深处。

双添加剂的使用有效促进了激子与解离，缩短了电荷传输距离，改善了载流子动力学，提高了电荷运输性能。在基于D18/Y6 和 PM6/L8-BO的有机太阳能电池中进一步验证了双添加剂对光伏性能的改善，表明双添加剂辅助的逐层沉积方法具有良好的通用性。

未来，逐层（LbL）顺序沉积在大面积制备有机太阳能电池（OSCs）方面仍然是一个有前景的方法。为了优化活性层形貌，需要进一步研究受体向给体层的扩散控制，以解决现有的聚集现象和电荷复合问题。开发受控的准体异质结（Q-BHJ）结构，确保给体和受体均匀交织，并优化垂直梯度分布，将是提高器件性能的关键。此外，采用合适的溶剂、热退火和添加剂等方法，可以进一步提升相分离和电荷传输效率。这些研究将为实现高性能、有更好光子利用率的有机太阳能电池提供新的可能性。

Dual Additive-Assisted Layer-by-Layer Processing for 19.59% Efficiency Quasi-Bulk Heterojunction Organic Solar Cells

李熊教授简介：本文通讯作者，北京工商大学教授，研究生导师，致力于有机光伏器件的性能优化与机理研究，通过活性层形貌调控、界面修饰等途径研发基于新机理的高效率有机光伏器件。主持和参与科研项目10多项，发表SCI论文 70多篇，出版专著1 部，授权发明专利3项。多次获评北京工商大学优秀教师、优秀研究生导师，优秀硕士论文指导教师。

主要研究领域：半导体材料与器件；有机光伏器件的结构、机理、性能优化。