山东大学张茂杰教授、国霞教授团队最新AM：成核剂和增塑剂协同调控结晶动力学实现能量转化效率20.1%的高效有机太阳能电池

第一作者：程博

通讯作者：国霞*，张茂杰*

单位：山东大学

有机太阳能电池（OSCs）因其轻质、柔性、低成本及可溶液加工等特性，成为可再生能源领域的研究热点。活性层作为器件的核心功能层，其纳米级相分离形貌对电荷产生、传输与复合过程起着决定性作用。然而，给受体材料在溶液加工过程中的结晶动力学差异，导致活性层形貌调控面临极大挑战。如何精准控制给受体分子的结晶顺序与相分离行为，成为提升器件效率的关键科学问题。

基于此，山东大学化学与化工学院国家胶体材料工程技术研究中心的张茂杰教授、国霞教授团队在《Advanced Materials》期刊发表题为《Precise Control over Crystallization Kinetics by Combining Nucleating Agents and Plasticizers for 20.1% Efficiency Organic Solar Cells》的研究论文。该工作创新性地提出成核剂与增塑剂协同调控策略，通过双向优化给受体材料的结晶动力学，成功实现活性层薄膜在水平与垂直维度的多尺度相分离形貌优化，极大地促进了电荷产生并抑制了电荷复合和能量损失，最终获得光电转换效率（PCE）达 20.1% 的高性能器件。

图1. 成核/增塑协同效应实现高性能有机太阳能电池。

通过原位成膜动力学表征技术，揭示了在溶液加工过程中成核剂 D18-Cl 与增塑剂 AITC 的协同作用机制：聚合物D18-Cl作为成核剂，能够促进D18的聚集，加速给体/受体混合；而小分子AITC则如同增塑剂，对N3的聚集和给体/受体混合动力学起到抑制作用。这种双向补偿机制，弥补了单一客体分子对结晶动力学调控的局限性，并有效地控制了给受体的结晶顺序，有效平衡了给受体材料的结晶动力学差异，实现了活性层形貌的精准调控。

图2. 成膜动力学表征

要点二：3D相形貌及结晶性优化

得益于精细优化的给受体结晶动力学，四元薄膜表现出更为明显的纤维网络、优化的多尺度相分离、显著的垂直相分布、以及提升的薄膜结晶。水平相分离上：D/A 混合域尺寸从 60 nm 优化至 65 nm，受体相尺寸从 38.6 nm 细化至 33.0 nm。垂直分布方面：给体富集于阳极侧，受体富集于阴极侧，促进电荷传输与收集。分子排列方面：GIWAXS 显示四元体系 π-π 堆叠更有序，结晶相干长度（CCL）提升至 2.92 nm。

图3. 三维相分离形貌表征

图4. 薄膜结晶性表征

要点三：器件性能突破及稳定性研究

精细优化的三维网络形貌极大地促进了电荷的产生、传输并抑制了复合以及能量损失，优化后的器件实现了短路电流密度、开路电压及填充因子的综合性能提升，最终器件性能由18.3%提升至了20.1%。且该系列光伏器件表现出优异的光稳定性和放置稳定性。光老化 270 小时后效率保留 87%，氮气存储 1500 小时后保留 90%。

图5. 器件物理表征

要点四：前瞻

该工作首次揭示成核剂与增塑剂协同调控结晶动力学的双向补偿机制，突破传统三元策略的局限性，为设计高效有机光伏器件提供了新的策略。通过分子工程与形貌调控的协同优化，突破了电荷产生与复合的权衡限制，为实现有机太阳能电池的产业化应用奠定了重要基础。

Precise Control over Crystallization Kinetics by Combining Nucleating Agents and Plasticizers for 20.1% Efficiency Organic Solar Cells

国霞教授：山东大学齐鲁青年学者，泰山学者（青年专家），博士生导师。主要从事有机光伏材料与器件方向的研究工作，在聚合物给体光伏材料的合成以及聚合物光伏器件的表征及优化方面取得了一定的研究成果，在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem. Mater.等期刊上发表SCI论文110余篇，H因子66。主持国家自然科学基金项目两项，江苏省自然科学基金项目3项，2019年获江苏省优秀青年基金资助。2018-2020、2022年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。

课题组常年招聘和招收有机/钙钛矿太阳能电池光伏材料设计与合成、有机/钙钛矿太阳能电池器件表征与器件物理及其它光电子材料与器件物理方向的教职、博士后以及硕士博士研究生。

欢迎垂询联系：mjzhang@sdu.edu.cn。