肖曼军/马伟/凡群平AFM：通过固体添加剂辅助活性层选择性优化策略构筑19.16%效率的二元有机太阳电池

第一作者：肖曼军，蒙永蝶（硕士）

通讯作者：肖曼军*，马伟*，凡群平*

单位：湘潭大学，西安交通大学

挥发性固体（VS）添加剂被广泛应用于调控顺序沉积（SD）活性层形貌，提高有机太阳电池（OSCs）能量转换效率（PCE）。然而，目前高性能VS添加剂通常含有卤素，会造成环境破坏；此外，大多数研究集中在VS添加剂添加到上层受体薄膜后对SD器件的影响，通常忽略对聚合物给体的影响。众所周知，在SD器件中给体薄膜良好的微观结构也是实现高效OSCs的先决条件。因此，探索VS添加剂对SD薄膜成膜过程中D和A组分的综合影响，有助于深入理解VS添加剂的作用机理，从而进一步提高器件性能。

近日，湘潭大学肖曼军与西安交通大学凡群平教授和马伟教授等人合作，在国际知名期刊Advanced Functional Material上发表题为“Solid Additive-Assisted Selective Optimization Strategy for Sequential Deposited Active Layers to Construct 19.16% Efficiency Binary Organic Solar Cells“的研究论文。研究人员通过设计合成一种不对称的非卤小分子2-(2-甲氧基苯基)苯并[b]噻吩（BTO）作为多功能VS添加剂，并将其应用于不同的二元活性层中，以提高OSCs的PCEs。

研究发现,将BTO引入底层PM6（PM6⁺），BTO挥发速度较慢、挥发距离长，增加了PM6⁺/L8-BO活性层中BTO与L8-BO的相互作用时间，导致L8-BO过度聚集；相反，当BTO加入到顶层L8-BO（L8-BO⁺），BTO的快速挥发和BTO/L8-BO之间良好的偶极相互作用有助于改善PM6/L8-BO⁺活性层的结晶性和有序堆积。因此，PM6/L8-BO⁺获得了优化的相分离形貌，提高了器件激子解离和电荷转移性能，并降低了电荷复合和能量损失，获得了>19%的PCE。此外，使用D18代替PM6，二元SD-OSCs获得了19.16%的促进PCE（香港理工大学李刚教授课题组的马睿杰博士验证器件PCE为19.22%）。总之，该工作开发了一种新型VS添加剂辅助选择性优化SD活性层策略，制备了高性能OSCs，并成功阐明了其工作机制，为进一步提高OSCs的PCEs提供了有意借鉴。

设计合成了一种新型无卤取代的不对称小分子挥发性添加剂BTO，并通过理论计算探究了其与PM6、L8-BO的相互作用。密度泛函理论计算结果表明，BTO与L8-BO具有强分子间作用力；约化密度梯度（RDG）分析进一步证明，L8-BO:BTO比PM6:BTO具有更强的分子间相互作用。因此，引入BTO能够更有效地促进L8-BO分子堆积。

通过AFM、TEM和GIWAXS等表征测试，进一步探究了BTO分别添加到底部PM6给体层和顶部L8-BO受体层后，对活性层材料分子结晶和堆积行为的影响。研究发现，活性层PM6⁺/L8-BO比PM6/L8-BO⁺具有更粗糙的表面、更强的结晶性和过度的聚集行为，这有助于全面了解VS添加剂在SD活性层中可能的工作机制。1）将BTO引入L8-BO顶层，VS添加剂在热退火（TA）处理后可以从L8-BO层快速挥发，实现L8-BO的分子堆积改善和适度结晶，这主要是由于BTO与L8-BO之间具有较强的偶极相互作用和更好的混溶性。2）在PM6底层加入BTO后，VS添加剂在TA后从PM6底层向L8-BO顶层逐渐挥发，然后嵌入L8-BO的结晶相中，进一步促进了上层分子结晶。然而，由于VS添加剂在PM6层中的挥发速率较慢、BTO从PM6底层到SD活性层外表面的挥发路径较长，活性层PM6⁺/L8-BO中的BTO能够长时间持续作用于L8-BO，进而导致活性层L8-BO过度聚集。

为研究该新型VS添加剂BTO在提高SD-OSCs光伏性能方面的普适性，研究者将BTO分别添加到经典的PM6/Y6和D18/L8-BO二元体系中。结果表明，BTO处理的器件性能均有所提升，其中D18/L8-BO⁺器件获得了19.16%的高PCE。此外，通过使用不同的VS添加剂，如与BTO结构同源的2-苯基苯并[b]噻吩（BT）和二苯并噻吩（DBT），研究了VS添加剂辅助选择性优化策略提高SD-OSCs光伏性能的普适性。结果显示，在L8-BO中加入BT或DBT后，PM6/L8-BO⁺器件实现了更高PCEs（相比PM6⁺/L8-BO器件）。值得注意的是，BTO处理的PM6/L8-BO⁺器件储存2300 h后仍能保持~90%的初始PCE，具有良好的稳定性。

Solid Additive-Assisted Selective Optimization Strategy for Sequential Deposited Active Layers to Construct 19.16% Efficiency Binary Organic Solar Cells

肖曼军 简介：博士师从杰出青年基金获得者黄飞教授和中国科学院曹镛院士。2018年入职湘潭大学化学学院，开展有机光伏材料及器件方面的相关研究工作，以第一作者/通讯作者身份在Advanced Functional Materials，Nano Energy，Small，ACS Applied Materials & Interfaces，Science China Chemistry等国内外重要刊物上发表SCI收录论文27篇，论文引用次数1500余次，H因子25，获湘潭市优秀论文奖1项，主持各类科研/教改项目9项。

马伟 教授简介：西安交通大学教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，国家级人才项目入选者，国家级青年人才项目入选者，Clarivate 全球高被引科学家，陕西省科技创新团队负责人。从事有机光电子材料（有机太阳能电池，有机电化学晶体管等）、有机神经形态材料、柔性智能传感器及集成器件、柔性非易失性存储器和大科学装置同步辐射X射线散射技术开发。

2015年以来以第一/通讯作者在Nat. Electron., Nat. Energy, Nat. Commun., Adv. Mater.及J. Am. Chem. Soc.等著名期刊和影响因子大于15的期刊发表研究论文近200篇，总论文数为400余篇。受邀为Nat. Mater.和Matter等杂志发表观点评述性论文, 受邀在Acc. Chem. Res.和Joule等杂志发表综述性8篇。SCI引用总数40000余次，H因子95。入选科睿唯安全球高被引科学家（2018-2023）。担任国家自然科学基金，国家自然科学奖评审专家。主持国家重点研发计划项目课题一项，国家自然科学基金青年/面上项目各一项，参与国家自然科学重点项目一项。

凡群平 教授简介：西安交通大学“青年拔尖人才支持计划-A类”教授，博士生导师，国家高层次青年人才（海外），Nano-Micro Letters和DeCarbon期刊青年编委。2018.6博士毕业于苏州大学李永舫院士课题组；2018.6-2022.1，分别于瑞典查尔姆斯理工大学Ergang Wang教授课题组和香港城市大学Alex K.-Y. Jen院士课题组从事博士后研究工作，随后加入西安交通大学工作。近年聚焦有机光电功能材料与器件的研发（如有机太阳能电池/OSCs、有机电化学晶体管/OECTs），取得了系列研究进展。

目前已发表SCI论文95篇，总引用超过5000次，H因子38。以第一/通讯作者在Joule（2篇）、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、Nano-Micro Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.（2篇）、ACS Energy Lett.、Carbon Energy、Sci. Bull.、Nano Energy（5篇）和Sci. China Chem.（7篇）等期刊发表SCI论文55篇。先后14篇入选ESI高被引论文、12篇入选ESI热点论文，1篇入选“第四届中国科协优秀科技论文遴选计划”。