黄辉教授、蔡芸皓副教授，AM：通过构筑双纤维网络形貌，提升介电常数策略获得高性能as-cast有机太阳能电池

第一作者：魏亚男 周先敏

通讯作者：蔡芸皓*，黄辉*

单位：中国科学院大学

有机太阳能电池（OSCs）因具有质量轻、本征柔性，可溶液法加工等优点而受到国内外的广泛关注，其能量转化效率（PCE）已经超过20%。然而，高性能OSC活性层通常需要复杂的形貌优化过程，例如：引入添加剂、热退火、溶剂退火等。添加剂残余对器件稳定性有不良影响。热/溶剂退火与卷对卷的加工技术不兼容。聚合物给体和小分子受体结晶性的差异，可能导致主链构象紊乱，不采用添加剂和后处理难以获得理想活性层形貌。因此，开发工艺简单的无后处理的高性能有机太阳能电池（as-cast器件）不仅是领域内研究的重点和难点，同时是有机太阳能电池实现商业化应用的必然要求。本篇观点通过构筑双纤维网络形貌和提升介电常数策略提高as-cast器件激子解离、电荷传输、降低电荷复合，获得高性能as-cast有机太阳能电池。

近日，中国科学院大学的黄辉教授课题组，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“High Performance as‐cast Organic Solar Cells Enabled by a Refined Double‐fibril Network Morphology and Improved Dielectric Constant of Active Layer”的观点文章。该观点文章以高介电常数的聚合物受体材料作为第三组份，构建双纤维网络形貌，制备高性能as-cast有机太阳能电池。

聚合物电子受体PY-TPT的能级位置为-5.65/3.80 eV。相比于L8-BO，PY-TPT上升的 LUMO能级将有利于减少D18:L8-BO:PY-TPT的器件的能量损失，从而提高相应器件性能。以其作为第三组份制备的as-cast有机太阳能电池（D18:L8-BO:PY-TPT）获得了18.60%的能量转化效率（认证效率为18.2%），其开路电压为0.926 V，短路电流为25.67 mA•cm^-2，填充因子为78.27%，这是迄今为止报道的as-cast有机太阳能电池的最高效率；相应的绿色溶剂（邻二甲苯）加工、厚膜（300 nm）和模组（16.60 cm²）OSC分别获得了17.45%、17.54%和13.84%的PCE。PY-TPT的引入有利于促进混合薄膜内部的电荷产生与传输，抑制电荷复合，进而获得优良的光伏性能。

在Marcus理论框架下导出的理论中，利用电致发光（EL）和高灵敏的外量子效率特性对能量损失进行了详细分析，以深入了解as-cast器件的Voc差异。总能量损失（Eloss = ECT – qVoc）由两个主要贡献组成：一个是辐射能量损失（∆Er），另一个是非辐射能量损失（∆Enr）。通过拟合高灵敏外量子效率的尾态和电致发光（EL）光谱， D18:L8-BO、D18:PY-TPT和D18:L8:BO:PY-TPT体系的电荷转移（CT）态能量（ECT）分别为1.392、1.449和1.391eV。D18:L8-BO:PY-PT的器件的∆Er和∆Enr分别为0.194 eV和0.271 eV，低于D18:L8-BO的器件（0.199 eV和0.278 eV）。因此D18:L8:BO:PY-TPT器件中的总电压损耗（0.465 eV）低于D18:L8-BO器件的总电压损失（0.477 eV），这与三元器件较高的Voc一致。

通过近场红外成像的PiFM测试，进一步研究了活性层中的给体/受体相分离。在D18:L8-BO薄膜中引入PY-TPT后，薄膜表现出双连续双纤维网络形态。更重要的是，D18:L8-BO:PY-TPT薄膜的18.4 nm（给体）和16.6 nm（受体）的原纤维直径比D18:L8-BO薄膜（17.0 nm给体和13.0 nm受体）的大且更匹配，这有利于有效的激子解离和电荷传输。

增加介电常数（εr）将有利于降低CT激子的结合能。与L8-BO薄膜（εr = 3.91）相比，PY-TPT具有更大的介电常数（εr = 4.71）。随着PY-TPT的引入，D18:L8:PY-TPT薄膜的介电常数（εr = 4.82）相较于D18:L8-BO薄膜（εr = 4.17）有所提高。因此，降低的结合能有利于改善电荷提取和减少电荷复合，有利于提高as-cast器件的光伏性能。

当前有机太阳能电池的性能不断提高，as-cast器件也获得了可观的光伏性能，但是as-cast薄膜的微观形貌演变对器件性能的影响机制尚未明确。因此，发展新型原位动态表征技术，实现有机太阳能电池真实工作状况下“分子结构—微观形貌—器件性能”的机制解析非常重要。探究分子结构对薄膜微观形貌作用机理，揭示纳米纤维网络形貌对器件性能的影响机制，将进一步推进新型高性能as-cast有机太阳能电池的发展。

High Performance as‐cast Organic Solar Cells Enabled by a Refined Double‐fibril Network Morphology and Improved Dielectric Constant of Active Layer

蔡芸皓副教授简介：蔡芸皓副教授主长期从事有机光电功能材料与器件的相关研究，以第一作者/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem. Mater.等期刊上发表论文50余篇（他引4000余次），其中第一作者/通讯作者22篇。入选中国科学院百人计划，曾获得博士后创新人才支持计划、国家自然科学基金青年基金、博士后面上项目资助等。

黄辉教授简介：黄辉教授主要从事有机/高分子半导体材料的合成和应用研究，迄今发表高水平学术论文130余篇，其中包括：Nat. Mater.、Nat. Chem.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、CCS Chem.等国内外顶尖学术刊物。目前任中国化学会副秘书长、分子聚集发光委员会、高分子学科委员会委员、InfoMat、Sci. China Chem.编委等。先后获得多项奖励与荣誉，包括中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖、中科院朱李月华优秀教师奖、中科院优秀导师奖等，获国家杰出青年基金的资助。

魏亚男博士毕业于中国科学院大学材料科学与光电技术学院，主要从事有机光电器件的研究，以第一作者和共同一作在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Nano-micro lett.、CCS Chem.、Sci. China Chem.等期刊发表SCI论文11篇。在读期间获博士研究生国家奖学金、中国科学院大学三好学生、北京市优秀毕业生、桥口隆吉优秀研究生等奖励和荣誉。

周先敏博士生就读于华中科技大学武汉光电国家研究中心，主要从事有机光电界面层材料和模组器件的研究，以共同一作在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Appl. Energy Mater.、CHEM J CHINESE U等期刊发表SCI论文4篇。

课题组主要围绕有机高分子半导体材料，开展了材料设计与合成及其光电应用研究。

我们实验室的研究方向是有机高分子半导体材料的设计、合成与光电应用研究，主要包括：1. 开发有机高分子半导体材料的绿色、宏量、精准合成方法；2. 研究高性能有机高分子材料的新型设计策略；3. 探索有机高分子半导体材料的光电应用。目前实验室团队具备一支包括杰青、优青在内的年轻研究队伍，具备了材料合成与表征及其光电器件加工的高水平科研平台：合成方面，实验室除有常规的无氧无水合成系统，还有微波反应器，快速过柱仪，循环制备色谱等仪器设备；结构表征方面，所在学院及学校拥有核磁，质谱，粉末和单晶衍射仪，红外，紫外，扫描电镜，透射电镜，瞬态荧光光谱仪，高温凝胶色谱等各类大型设备，使用便捷；器件制备及性能表征方面，实验室拥有手套箱，探针台，量子效率测量仪，半导体参数测量仪，光刻机等各类设备。实验室目前已经在Nat. Mater.、Nat. Chem.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.等化学和材料国际一流学术刊物发表多篇研究或综述论文。

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