在体异质结中，介电材料在激子极化和形貌控制方面起着关键作用。
为了制备高效率、大面积的有机光致发光器件(OPV)，韩国科学技术研究院 Hae Jung Son等人开发了香芹酮(CV)介电添加剂，CV与L8-BO形成复合物，在D18：N3：L8-BO共混体系中，CV促进了受体晶体的形成和激子的解离。此外，CV 的加入在刮刀涂覆过程中诱导了强烈的向内马兰戈尼流，使得大面积均匀形貌的形成不受电子传输层表面能的影响。因此，OPV 器件表现出改进的性能，特别是使用二元 D18:PM6给体的器件在 1 cm² 的活性面积下实现了 17.44% 的效率，相应的模组效率达到了16.27%。这是迄今为止在活性面积超过 20 cm² 的 OPV 模组中实现的最高效率之一。重要的是，研究表明 CV 的加入在相对湿度为 10%-70% 的环境空气中对最佳混合物形貌的可重复制备是有效的。该论文近期以“Dielectric additive enables humidity-independent preparation of blend morphology for high-performance, large-area organic photovoltaics”为题发表在顶级期刊Joule上。
研究亮点：
新型介电添加剂的应用：研究引入了香芹酮(Carvone, CV)作为介电添加剂，用于大面积有机光伏(OPV)器件的制备。CV与L8-BO形成复合物，显著促进了N3受体的结晶，并改善了激子解离效率。
湿度无关的制备工艺：通过CV的加入，实现了在10%至70%相对湿度范围内的环境条件下，稳定制备大面积OPV器件，解决了传统OPV制备过程中对环境湿度敏感的问题。
高效的能量转换效率：基于CV的OPV模块在20.33 cm²的面积上实现了16.27%的光电转换效率(PCE)，这是目前大面积OPV模块中最高的效率之一。
研究内容：
研究团队开发了香芹酮(CV)作为介电添加剂，通过与L8-BO形成非共价复合物(L8-BO-CV)，改善了D18:N3:L8-BO混合膜的形态。CV的加入不仅增强了N3受体的结晶，还通过促进向内马兰戈尼流(Marangoni flow)，实现了大面积均匀薄膜的制备。
研究意义：
技术突破：该研究通过引入CV介电添加剂，解决了大面积OPV制备过程中对环境湿度敏感的问题，实现了在不同湿度条件下的稳定制备，为OPV的规模化生产提供了新的思路。
性能提升：CV的加入不仅提高了OPV器件的效率，还通过改善激子解离和结晶形态，提升了器件的内部量子效率(IQE)，为提高OPV的整体性能提供了有力支持。
图文信息
图1.活性材料的化学结构及其与DA的分子间相互作用。(A) 光活性材料的分子结构以及与介电添加剂(DA)的分子间相互作用。(B)不具有或具有CV DA的L8-BO分子(左)的分子ESP表面图(右)。(C)N3和L8-BO NFA与各种DA(包括CV、苯酞(PT)、2-甲基环己酮(MCH)和苯甲腈(BN))的总能量差。DA的化学结构如图S1所示。数值为它们的复合物与每个分子之和之间的差值。CV显示最大差值，这表明它与L 8-BO形成最稳定的复合物。(D)L 8-BO和CV复合物中分子内相互作用区域的可视化。L 8-BO和CV复合物的视频剪辑可在视频S1中获得。
图2. 具有DA的刮涂的活性材料的光伏和结晶性质。(A和B)不具有和具有CV((N3+L8-BO)：CV=1：1摩尔比)的基于D18：N3：L8-BO的大面积OPV(1cm2)的(A)电流-密度-电压(J-V)特性和(B)IQE光谱。(C)计算的基于D18：N3：L8-BO的器件的激发态极化率(Dp)和偶极矩(Dm)，所述器件不含DA(共混物)或含有具有恒定摩尔比(N3+L8-BO)：DA=1：1的各种DA。(D)不具有CV和具有CV的基于D18：N3：L8-BO的OPV的激子解离概率(P(E，T))((N3+L8-BO)：CV=1：1)。(E)由不具有或具有CV或MCH的各种材料组合的积分熔融焓(DHm)和冷结晶焓(DHcc)计算的DHm-DHcc值，其中恒定摩尔比为(N3或L8-BO或N3：L8-BO)：(CV或MCH)= 1：1。(F)N3和N3：L8-BO薄膜的IP方向GIWAXS曲线，没有CV或具有CV((N3或N3 + L8-BO)：CV=1：1)。
图3. L8-BO和CV的分子复合物及其对N3的结晶性质和刮涂的共混物膜的影响。(A)在使用CS2的溶剂蒸气退火77小时之后，不具有或具有CV的N3、L8-BO和N3：L8-BO膜的光学显微镜图像J3和L 8-BO的摩尔比为15：1，并且CV以与总NFA的1：1摩尔比添加。(B)对应于(A)的退火膜的结晶特性的概念说明图像。随着CV的添加，N3显示出略微增加的晶体尺寸;然而，L8-BO显示出比没有CV的10 mm尺寸的微晶小得多的微晶。在N3：L 8-BO共混物中，L 8-BO和CV复合物起到N3结晶的核的作用，这导致增加的结晶簇。(C)在左侧照片的各个位置(红点)处，没有CV和具有CV的N3：L8-BO膜的AFM形貌图像(2 mm×2 mm)。(D)N3：L8-BO薄膜的位置依赖性Rq分布，无CV和有CV，制备在具有不同表面能的各种基底上。位置i、ii和iii与(C)左侧照片中所示的位置(红点)相同。平均值和误差条来自8个独立测量。
图4. L8-BO 和 CV 分子复合物对活性层刮涂过程及其机制的影响。(A) N3:L8-BO 混合物(左：无CV;右：有CV)的刮涂薄膜在不同位置的面内(IP)方向掠入射广角 X 射线散射(GIWAXS)图案的等高线图。等高线图中的灰线为归一化强度 0.5 的连线，与无CV的薄膜相比，含有CV的 N3:L8-BO 薄膜显示出相对均匀的半高全宽(FWHM)。(B)有无CV的D18:N3:L8-BO溶液的表面张力值随活性层材料总浓度的变化。平均值和标准差来自10次独立测量。(C)左侧照片中标记为0的完整有机光伏(OPV)器件或标记为1、2和3的分离器件的光电转换效率(PCE)分布。平均值和标准差来自12个独立器件。(D)描述在刮涂过程中，相对湿度(RH)变化和CV引入导致的净流动变化的示意图。净流动是毛细管流动和向内马兰戈尼流动之间的差值。其中，c、γₗ和 γₛ分别表示浓度、活性溶液的表面张力和ZnO 表面的表面能。
图 5. 最佳性能的有机光伏(OPV)模组的光伏特性以及随相对湿度(RH)和季节变化的光伏参数。(A和B) (A)最佳性能的D18:PM6:N3:L8-BO混合OPV模组的照片，该模组由8个子电池组成，几何填充因子(GFF)为93.44%。(B)对应OPV模组的电流密度-电压(J-V)特性曲线。(C)近期报道的大面积(>20 cm²)OPV模组的光电转换效率(PCE)分布图，以填充因子(FF)为函数。报告数据的详细光伏参数列于表S9。含有CV和D18:PM6混合物的 OPV模组表现出高性能，PCE 高达16.27%，FF超过74%。(D)基于 D18:N3:L8-BO 的制备 OPV 的季节性影响，从上到下依次为VOC、JSC、FF和PCE，以及当时的RH。在器件制备过程中，温度控制在24.0°C±1.0°C。图中的虚线是通过正弦函数拟合的非线性数据。RH呈现正弦函数变化，夏季较高，冬季较低。不含 CV 添加剂的 D18:N3:L8-BO 混合OPV的FF和PCE与RH呈反比关系;然而，含有CV的OPV器件则不受RH影响。与FF相比，含CV和不含CV的OPV的VOC和JSC受季节影响较小。平均RH值和标准差是通过对制备OPV器件和模组的每一天的观测值取平均值得到的。
总之，作者等人开发了一种香芹酮(CV)介电添加剂，用于实现大面积、高效率的有机光伏(OPV)器件。CV与L8-BO在 D18:N3:L8-BO 薄膜中形成非共价复合物，诱导了高效的激子极化和电荷生成，从而在450-900 nm波长范围内提高了内部量子效率(IQE)，并增强了受体的成核和结晶。CV 的加入使得活性材料溶液在溶剂蒸发过程中表面张力逐渐增加，从而在刮涂活性材料薄膜时产生了强烈的向内马兰戈尼流。因此，尽管在不同表面能的电子传输层(ETL)薄膜上制备，BHJ 薄膜仍能保持最佳形貌和优异的均匀性。结果表明，OPV 器件的效率不仅在单电池器件中得到了提升，而且在大面积模组中也得到了提升。优化后的OPV单电池使用二元D18:PM6 给体在1 cm²的活性面积下实现了17.44%的高效率，相应的 OPV模组具有93.44%的GFF，实现了16.27%的效率。重要的是，研究表明CV添加剂在相对湿度为10%-70%的环境空气中能够确保大面积、高性能OPV器件的可重复制备。考虑到BHJ薄膜的环境不敏感制备的潜力，这些结果代表了在使用卷到卷溶液工艺的具有成本效益的OPV生产中向前迈出的关键一步，而不管大气湿度的季节变化。
器件制备
器件结构：
ITO/AZO/BHJ/MoO3/Ag
1. 洗干净的ITO基底臭氧20 min，通过将280 mg乙醇胺、1 g乙酸锌二水合物和具有4 % Al3+的硝酸铝九水合物在10 mL 2-甲氧基乙醇中混合来制备基于溶胶-凝胶的AZO溶液，60℃剧烈搅拌过夜，4000rpm 30s旋涂，200℃退火30 min;
2. 总浓度为9 mg/mL，D18：N3：L8-BO=1：1.5：0.1(w/w/w)溶于CF，除非另有说明，否则以(N3+L8-BO):DA=1：1的恒定摩尔比将添加剂添加到活性溶液中，60℃下搅拌过夜，刮涂;
3. 蒸镀5 nm MoO3和120 nm Ag。
