华南理工大学陈军武教授团队最新AEM：可原位去除的固体添加剂助力有机太阳电池效率超过19%,FF超过81%

有机太阳电池（OSCs）由于质量轻、可打印、可制备大面积和柔性电子器件方面的巨大潜力引起了广泛关注。随着聚合物给体和非富勒烯受体材料的不断发展，单节OSCs的功率转化效率（PCE）已经超过19%。除了开发新型给受体材料外，活性层的纳米级形貌通过影响激子扩散、电荷分离、传输及复合，也是决定OSCs效率的关键因素。

目前已经提出许多策略用以提高给受体的结晶度并调控相分离行为从而提高OSCs的光伏性能。例如调节给受体比例、混和溶剂、热/溶剂退火、引入溶剂添加剂等。在各种形貌优化方法当中，在体系中加入溶剂添加剂是最简单有效的方法之一。通过利用远高于主溶剂的沸点和对给体或者受体的选择性溶解度，进而延长薄膜干燥时间，从而有效地调节分子取向和相分离。但高沸点溶剂添加剂由于挥发性差，去除较困难，同时添加剂的残留会导致器件的重复性较差和影响稳定性，这对OSCs大规模生产应用带来制约。

近年来随着对固体添加剂研究的不断深入，发现其不仅可以有效调节活性层形貌并且能有效避免溶剂添加剂的缺点。目前所报道的固体添加剂通常利用其加热下的挥发性，以确保在活性层薄膜热退火的过程中可以被去除。但是这样的策略也限制OSC器件的过程中对热退火温度的选择。

鉴于此，近日，华南理工大学陈军武教授团队开发了两种在旋涂过程中可以被原位去除的新型固体添加剂1-氯-4-碘苯（CIB）和1,4-二氯苯（DCB），可以很好地优化本体异质结活性层形貌（图1），而用以比较研究的固体添加剂1,4-二碘苯（DIB）因熔点或沸点过高不具有旋涂过程原位去除能力。经过CIB和DCB处理后的PM6:BTP-eC9混和薄膜的电子和空穴迁移率得以大幅提高，也发现CIB和DCB的引入可以提高激子的解离效率、减少载流子复合、提高载流子寿命以及减少电荷提取时间。在未有退火处理时，经过CIB和DCB处理的二元器件已能很有效地实现17.8%PCE，明显高于DIB处理器件的16.8%PCE和as-cast器件的16.5%。经过90℃下5分钟退火，CIB和DCB加工的二元器件分别获得了18.4%和18.2%的PCE，也都高于DIB器件的17.8%（图2）。

据悉，18.4%效率是迄今为止报道的PM6:BTP-eC9二元单节OSCs的最高效率之一。进一步，对表现最为优异的可原位去除固体添加剂CIB进行了普适性研究，将其分别引入到PM6:IT-4F、PDTBT-4F:Y14、D18-Cl:Y6和PM6:L8-BO二元体系当中发现，CIB的引入会使得所有二元体系PCE大幅提升。最终，CIB处理也使PM6:D18-Cl:L8-BO三元体系获得了19.1%的高器件效率以及81.1%的高填充因子。

为了深入研究可原位去除的固体添加剂对活性层形貌调控的作用机制，对as-cast和不同添加剂处理的PM6:BTP-eC9薄膜表面形貌、内部聚集状态和分子链堆叠的情况分别进行了原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）光谱表征（图3和图4）。发现CIB的引入可以诱导给体和受体的结晶性进一步增强且更加趋于face-on排列以及形成更为紧密的π-π堆积。此外，经过CIB的处理，混和膜表面获得了一个相对适中的粗糙度以及更为明显的纳米级双连续互穿网络，这些形貌上的改变更有利于激子的解离、载流子的传输以及电荷的提取。

综上，这项工作中报道的新型可原位去除的固体添加剂策略和机制为活性层形貌优化提供了新的见解，并为固体添加剂的设计提供了一种新思路。本工作主要由华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室团队完成，研究生孔令晨和张泽升署名共同一作，张连杰副教授和陈军武教授署名通讯作者。同时，该工作也得到了广州大学张伟副教授、国家纳米科学中心的张建齐副研究员和魏志祥研究员的大力支持。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》上，题为“In Situ Removable Additive Assisted Organic Solar Cells Achieving Efficiency Over 19% and Fill Factor Exceeding 81%”。

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