胡汉林、李刚、杨春明，AEM：通过理解Re-ordering动力学从而提升全小分子有机太阳能电池效率

第一作者：孙小康，吕杰

通讯作者：胡汉林*，李刚*，杨春明*

单位：深圳职业技术大学，霍夫曼先进材料研究院

在全小分子有机太阳能电池(ASM-OSCs)中实现高性能，在很大程度上依赖于在活性层中通过精确的纳米尺度相分离来实现。然而，对于ASM-OSC系统而言，如何在域尺寸的调控和相分离的复杂性之间建立明确的联系是一个巨大的挑战。本研究探讨了域尺寸调节和创造最佳相分离形貌之间错综复杂的相互作用，这对ASM - OSCs的性能至关重要。

近日，来自深圳职业技术大学胡汉林副教授与香港理工大学的李刚教授以及上海同步辐射光源的杨春明副研究员合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Efficiency Boost in All-Small-Molecule Organic Solar Cells: Insights from the Re-Ordering Kinetics”的研究性文章。

该研究探讨了域尺寸调节和创造最佳相分离形貌之间错综复杂的相互作用，这对ASM-OSCs的性能至关重要。研究表明，ASM-OSCs活性层中合适的相分离是可以通过薄膜内部重新有序化(Re-ordering)实现的。采用一系列卤素取代溶剂（氟苯、氯苯、溴苯和碘苯）对Re-ordering动力学进行调整，最后经CB处理的ASM-OSCs表现出16.2%的功率转换效率（PCE）。

TOC. 合适的溶剂诱导薄膜重新有序化形成有利于电荷传输的相分离结构。

Figure 1. a) Chemical structures of T6 and N3. b) Schematics of the film morphology of T6: N3 blends film with SVA processing under different solvent conditions.

Figure 2. a–d) Contour map of T6: N3 films treated with FB, CB, BB, and IB, respectively. e–h) AFM height images of T6: N3 films under different treated conditions. i–l) TEM images under different treated conditions. m–p) The contours of exciton generation rate of T6: N3 films under different treated conditions.

Figure 3. a) In situ UV–vis absorption spectra and contour map during SVA with CB. b) Time evolution of normalized absorption at 570 nm (T6) and 840 nm (N3) during SVA with CB.

Figure 4. a–d) 2D GIWAXS patterns of T6: N3 films with various SVA solvents. e) OOP scattering profiles (from bottom to top: FB, CB, BB, and IB, respectively) from GIWAXS patterns. f) The intensity-corrected pole figures of the (010) peak. g) The FWHM of (010) peak on the OOP direction, and the domain size obtained by fitting h) IP scattering profiles from GISAXS patterns.

Figure 5. a) J–V curves of optimized ASM-OSC devices under different solvent conditions. b) The EQE curves of optimized ASM-OSC devices under different solvent conditions. c) Light intensity-dependent VOC versus ln(JSC) from 0.1 to 100 mW cm⁻² under different solvent conditions. d) Transient photovoltage and e) transient photocurrent of optimized devices. f) Hole and electron mobilities of blend films under different solvents.

要点一：要实现全小分子有机太阳能电池（ASM-OSCs）的高性能，在很大程度上依赖于通过在活性层中调节域尺寸来实现精确的纳米级相分离。在这项工作中，研究了域尺寸调整与创建最佳相分离形态之间错综复杂的相互作用，系统地探讨了在使用一系列不同卤素取代的溶剂进行重新排序的过程中对混合薄膜中域尺寸和结晶度的影响。

要点二：采用掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）和掠入射小角 X 射线散射（GISAXS）来探索详细的堆积信息和聚集行为。此外，还采用了原位紫外可见吸收光谱(In situ UV-vis)来监测 SVA 过程中的Re-ordering动力学。

要点三：利用依赖于薄膜深度的光吸收光谱（FLAS）进一步研究了不同溶剂条件下 T6: N3 薄膜的垂直相分离。

要点四：采用了原子力显微镜（AFM）和电子显微镜（TEM），再结合 GISAXS 表征进一步研究Re-ordering动力学对活性层形貌的影响。

要点五：本研究证明了可以通过Re-ordering过程对域的连续性和均匀性进行精细控制，可以在 ASM-OSC 的活性层中实现合适的相分离。最终，基于 CB 处理的二元 ASM-OSC 器件的 PCE 达到了16.2%，超过了 FB 处理（14.8%）、BB 处理（15.3%）和 IB 处理（15.2%）器件的效率。这些结果凸显了域尺寸调节和形态控制作为推进 ASM-OSC 的关键方法的重要性。

胡汉林副教授简介：霍夫曼先进材料研究院副教授，深圳市海外高层次“孔雀计划”B类人才，深职大打印光伏器件中心主任，霍夫曼研究院同步辐射与打印光电器件实验室负责人。

2017年在沙特阿卜杜拉国王科技大学获博士学位，随后加入香港理工大学李刚教授课题组开展博士后研究。在研究院参与搭建了深圳市首台小角/广角X射线散射线站（GIWAXS/GISAXS），现为美国劳伦斯-伯克利光源和台湾光源的授权用户。主持国家自然科学基金、广东省面上项目，深圳市稳定支持项目、深圳市高层次人才启动项目等，已发表SCI论文110余篇，包括Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Materials Science & Engineering R, Advanced Science, Advanced Energy Materials, Nano Letters, Energy & Environmental Materials等国际期刊, 现为Nature Photonics, Energy & Environmental Materials, Advanced Functional Materials等期刊的审稿人。

主要研究方向为打印薄膜太阳能电池和晶体管，以及基于同步辐射对材料晶相转变的实时追踪。

李刚教授简介：李刚教授现任香港理工大学电子及资讯工程学系鍾士元爵士可再生能源教授。

研究聚焦于可印刷太阳能电池（有机聚合物太阳能电池，钙钛矿太阳能电池）及相关领域。本科毕业于武汉大学空间物理学系，爱荷华州立大学凝聚态物理博士及电机工程硕士。2016年来港前为加州大学洛杉矶分校UCLA研究教授。李刚教授发表科技期刊论文180余篇，其中Nature系列及Science十余篇，总被引近七万次。最高单篇引用6千4百余次，超过1千次引用的论文有19篇，H-因子为78（谷歌学术）。他是美国光学学会会士（OSA Fellow）英国皇家化学会会士（FSRSC），国际光电工程学会会士（FSPIE）。自2014年至今为汤森路透/科睿唯安 全球高被引科学家（材料科学，化学，物理）。李刚教授正在主持和主持过来自香港研究资助局、香港创新科技署，中国国家自然科学基金、深圳市及香港理工大学的多项基金近2千万港元。

杨春明副研究员简介：中国科学院（中科院）上海高等研究院上海同步辐射光源（SSRF）副研究员。

他于2004年获吉林大学学士学位。分别于2007年和2010年在日本关西学院大学获得物理学硕士学位和博士学位。自2012年以来，他一直在SSRF工作。他的研究兴趣集中在小角度X射线散射（SAXS）、掠入射小/广角X射线散射（GISAXS/GIWAXS）、光伏器件的结构-性能关系。

Efficiency Boost in All-Small-Molecule Organic Solar Cells: Insights from the Re-Ordering Kinetics

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