硅氧烷作为耐湿和增稳添加剂用于空气环境可加工的有机太阳能电池

第一作者：刘海珍

通讯作者：张连杰*，陈军武*

单位：华南理工大学

有机太阳能电池（OSCs）作为一种前景广阔的清洁能源技术，近年来受到了广泛关注。特别是非富勒烯受体（NFAs）的突破性进展，使得OSCs的光电转化效率已突破20%，为其大规模商业化应用奠定了坚实基础。然而，要真正实现OSCs的产业化制备，仍面临着诸多挑战，尤其是在大气环境下的高性能制备工艺和长期稳定性方面。尽管当前的有机活性层在效率上取得了显著进展，但如何在空气环境条件下加工实现高效率，并确保OSCs的长期稳定性，依然是科研和产业化过程中的关键难题。

基于此，来自华南理工大学的陈军武教授团队，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Siloxane as humidity-resistant and stabilizing additive for ambient-processed organic solar cells”的文章。该文章提出了一种有效的添加剂策略，利用简便的有机硅氧烷分子添加到活性层，能够有效提升活性层的耐湿性及器件稳定性。硅氧烷添加剂优化后的活性层在高湿度空气中加工能够获得与氮气手套箱相当的器件效率。此外，经过硅氧烷添加剂处理的活性层能够提升OSCs的稳定性。这一策略具有便携性，与材料策略相比具有较强的竞争力。这种双功能的硅氧烷液体添加剂具有独特的优势，为加速OSCs的商业化应用铺平了道路。

图1.硅氧烷添加剂的化学结构及其在有机太阳能电池应用中的功能

与惰性气氛不同，环境条件涉及氧气和水汽，且空气中的水汽含量或相对湿度（RH）在不同季节变化较大。前期研究（Energy Environ. Sci., 2023, 16, 3474–3485）指出，对于一些知名的高效率活性层，在高RH空气中制备时，其光电转换效率（PCE）明显下降，因此，迫切需要具备良好抗湿性的高性能BHJ活性层。长期以来，针对这一问题缺乏普遍有效的对策。

该研究提出了一种以硅氧烷化合物作为抗湿添加剂，将其应用于典型高性能活性层在高湿度空气加工的物理方法，比较了四种硅氧烷添加剂——八甲基三硅氧烷（3Si）、十甲基四硅氧烷（4Si）、十二甲基五硅氧烷（5Si）和四(三甲基硅氧基)硅烷（X-5Si），用于在氮气气氛和90% RH空气中加工BHJ活性层。研究发现，这些硅氧烷添加剂能够有效减少两种加工条件下PCE的差异。令人意外的是，硅氧烷添加不仅能提升了PM6:L8-BO活性层的抗湿性，还显著增强了OSCs的热稳定性和光稳定性。在氮气气氛下的85℃热老化1000小时后，最终的平均效率16.17%对应了初始值的91.6%保持；在带有UV波段的模拟太阳光下照射1000小时（器件温度约55℃），最终的平均效率15.42%对应了初始值的86.1%保持。这代表了添加剂改进稳定性的最好水平。

要点二：硅氧烷液体添加剂提升稳定性的机理

原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）形貌测试发现，添加硅氧烷的活性层在90%RH空气加工与N₂手套箱相比具有相似的形貌，而未加硅氧烷的活性层在两种条件下加工形貌呈现明显差异。此外，活性层添加硅氧烷添加剂后制备的器件，在85℃热老化及持续光老化的条件下能保持长期形貌稳定性。说明，硅氧烷的添加有利于稳定活性层形貌。扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）映射结果揭示，不同于传统的DIO和1-CN添加剂，在真空条件下容易去除，硅氧烷液体添加剂即使在长时间真空条件下也能存留在活性层。硅氧烷添加剂在活性层存留起到保护活性层形貌的作用。

要点三：硅氧烷添加剂在多种活性层材料体系的普适性

为了验证硅氧烷添加剂修饰的活性层在提升OSCs耐湿性、热稳定性和光稳定性方面的普适性，进一步探究了3Si添加剂在其他光活性体系中的表现。选择了PTQ10:m-TEH和D18:L8-BO两种体系，分别在氮气手套箱和90% RH空气中制备，发现添加3Si的活性层相比未添加3Si的活性层都有明显抗湿性，3Si添加剂使得90%RH空气加工的器件能获得与N2条件相当的PCE。同时，3Si添加到PM6:m-TEH 和PM6:BTP-eC9活性层都能有效提升OSCs的光和热稳定性。

要点四：前瞻

该文章证明了在制备活性层过程中，加入硅氧烷添加剂可以提高活性层在高湿空气中加工时的耐湿性，以及提升OSCs的光稳定性和热稳定性，从而为OSCs提供了一种新的双功能添加剂策略。通过将硅氧烷添加剂（3Si）应用在其他活性层体系，验证了3Si作为耐湿剂和稳定剂的普适性。研究结果有望推动硅氧烷添加剂策略面向高性能、空气环境可加工的OSCs迈进。结合强有力的材料策略，硅氧烷添加剂策略有助于在热稳定性和光稳定性测试中挑战更长的T95寿命，从而加速OSCs的商业化进程。

Siloxane as humidity-resistant and stabilizing additive for ambient-processed organic solar cells

陈军武教授简介：华南理工大学材料学院教授，国家杰出青年科学基金获得者，广东省珠江学者特聘教授，博士生导师。2005年入选教育部新世纪优秀人才，2012年国家杰出青年科学基金获得者，2015年国家自然科学基金委创新群体骨干成员。获国家自然科学奖二等奖两项（2010年和2015年，排名第四）。首先提出了聚集诱导发光（AIE）的转动受限RIR机制，有力推动AIE科学的发展；开展了多系列含silole聚合物的研究；发展了多种光电器件阴极界面修饰聚合物材料；通过强链间聚集构筑高迁移率共轭聚合物给体材料，面向印刷加工实现了高效率厚膜光伏器件，及应用于有机光伏活性层形貌调控的新型快干型溶剂添加剂。在Acc. Chem. Res., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., EES, Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Chem. Mater., Macromolecules等学术期刊发表SCI收录论文150余篇。Elsevier 2020-2023年中国高被引学者（材料科学与工程）。