文章介绍
无添加剂有机太阳能电池 (OSC) 通过消除与溶剂添加剂相关的加工复杂性，代表了向可扩展、稳定的光伏器件迈进的关键进步。然而，在没有活性层的情况下实现最佳的活性层形态仍然是一项艰巨的挑战。
基于此，山东大学张茂杰等人介绍了一种聚合物工程策略，以增强无添加剂 OSC 的形态控制和器件性能。通过将一小部分聚合物受体 PY-DT 掺入 D18：L8-BO 共混系统中，我们证明了 PY-DT 在成膜过程中充当成核剂，促进 L8-BO 的有序分子堆叠。聚合物的刚性骨架进一步引导 L8-BO 相的外延生长，驱动受体结构域内连续纤维网络的形成，并实现均匀的相分离。这种分层组装增强了激子解离并平衡了电荷传输，产生了 20.3% 的冠军功率转换效率 (PCE)，这是无添加剂 OSC 的最高值之一。稳定性评估表明，在连续照明 1200 小时后，设备仍能保持 85.3% 的初始效率。我们的研究结果建立了一种在无添加剂 OSC 中进行形态工程的新方法，为实现工业上可行的高性能器件提供了一条途径，并推动了有机光伏领域的发展。该论文近期以“Constructing continuous acceptor fibrillar networks and achieving uniform phase separation via polymer-assisted morphology control for 20.3% efficiency additive-free organic solar cells”为题发表在顶级期刊Energy & Environmental Science 上。
研究亮点：
聚合物工程策略：通过将聚合物受体PY-DT掺入D18:L8-BO共混体系中，增强了形态控制和器件性能。
连续纤维网络：形成连续的受体纤维网络，实现均匀的相分离。
效率提升：基于PY-DT的无添加剂OSC实现了20.3%的功率转换效率。
研究内容：
该研究专注于通过聚合物辅助形态控制来提高无添加剂有机太阳能电池的性能。科研团队通过精确控制聚合物受体的引入，优化了活性层的形态，从而提高了电池的光电转换效率和稳定性。
研究意义：
性能提升：这项工作提供了一种通过聚合物工程来提高无添加剂有机太阳能电池效率和稳定性的新方法。
推动产业化进程：这种聚合物辅助形态控制技术为无添加剂有机太阳能电池的商业化和大规模生产提供了新的可能性，有助于推动可再生能源技术的发展和应用。
科学贡献：该研究为理解和设计高效率、高稳定性的有机太阳能电池提供了新的视角，对于有机光伏领域的科学进步具有重要贡献。
图文信息
图1. (a)光活性材料的化学结构。(B)在旋涂过程中PY-DT膜的原位紫外-可见吸收光谱的随时间变化的等高线图。(c)PY-DT的峰位置和强度的时间演变。(d)在旋涂过程中L 8-BO、PY-DT和L 8-BO：PY-DT膜的t1、t2和t3时间的直方图。(e)L 8-BO、PY-DT和L 8-BO的晶体相干长度(CCL)和p-p d-间距：(f)L 8-BO、PY-DT和L 8-BO：PY-DT膜的rDoC值。(g)沿沿着面内方向的1D GISAXS分布和最佳拟合结果。
图2. (a)D18：L 8-BO和(B)D18：L 8-BO：PY-DT膜在旋涂期间的原位紫外-可见吸收光谱的时间依赖性等高线图。(c)在旋涂过程中D18：L 8-BO和D18：L 8-BO：PY-DT膜的t1、t2和t3时间的直方图。(f)对应的D18：L 8-BO和D18：L 8-BO：PY-DT膜的1D线切割轮廓。(g)晶体相干长度(h)D18：L 8-BO和D18：L 8-BO：PY-DT膜在面外方向上的rDoC值(CCL)和p-pd-间距。L 8-BO：PY-DT薄膜。(i)1D GISAXS轮廓和最佳拟合结果沿着面内方向。
图3. (a)AFM高度、相位和AFM-IR图像以及(B)D18：L 8-BO和D18：L 8-BO：PY-DT共混膜的原纤维宽度的统计分布。(c)具有不同光源角度的GIWAXS/GISAXS测试的示意图，其中0.081的角度被测试为膜的浅信号，0.161的角度被测试为膜的中间信号，并且0.21的角度被测试为膜的深信号。(f)D18：L 8-BO和(g)D18：L 8-BO-PY-DT膜的GISAXS测试结果。(h)D18：L 8-BO和D18：L 8-BO：PY-DT膜的形态和结构示意图。
图4. (a)优化器件的J-V曲线。(B)文献和本工作中报道的不同无添加剂体系的PCE值的比较(相关参考文献在ESI中引用);(c)优化器件的EQE曲线。(d)器件的载流子迁移率。误差条表示平均值的标准误差。(e)Jph与有效电压Veff的关系图。(f)Voc和Jph与光强的关系图。(g)器件中的缺陷态密度和相应的高斯拟合结果。(h)器件的瞬态光电流测量。(i)电荷密度与非成对复合速率系数(kn)之间的关系。
图5. (a)和(c)D18：L 8-BO和(B)和(d)在800 nm泵浦的D18：L 8-BO：PY-DT膜在不同时间延迟下的2D TA分布和TA光谱;(e)在585 nm探测的共混物膜中D18 GSB信号的TA动力学;和(f)共混物膜中t1和t2的值。
图6. (a)光活性材料的化学结构。(B)各种高性能活性层体系的PCE，包括五种代表性的无添加剂二元体系(PM 6：L 8-BO-X、PM 6：L 8-BO、D18：BTP-eC 9、D18：N3和D18：L 8-BO-X)及其相应的PY-DT基三元共混物。(c)D18：L 8-BO和D18：L 8-BO：PY-DT基器件在连续照明下的归一化PCE。(d)D18：L 8-BO和D18：L 8-BO：PY-DT膜的紫外-可见光偏差度量结果。
总之，在D18：L 8-BO体系中引入小部分聚合物受体PY-DT是优化无添加剂OSC形态工程的有效方法。PY-DT在成膜过程中作为成核剂，诱导L 8-BO优先结晶并指导外延生长，在受体相中产生连续的纤维状网络。这种分层结构确保了均匀的相分离、紧密的分子堆积和增强的电荷传输途径，导致与D18：L 8-BO体系相比，PCE显著提高20.3%。L 8-BO器件(18.8%)。值得注意的是，PCE也是无添加剂的OSC的最高值之一。优化的器件还表现出优异的光稳定性，在连续光照1200小时后仍保持85.3%的初始效率。这项工作建立了一种简便而有效的策略，以同时提高无添加剂的OSC的效率和稳定性，为高性能有机光伏器件的规模化制造提供了蓝图。
器件制备
器件制备：
ITO/PEDOT:PSS /active layer/PNDITF3N/Ag
1. 洗干净的ITO玻璃，UV20min，PEDOT:PSS 4000rpm 30s旋涂，150℃退火15 min;
2. D18：L 8-BO(1：1.2 w/w，总计10 mg/mL−1)和D18：L 8-BO：PY-DT在旋涂之前，在60 ℃下搅拌(1：1：0.2 w/w/w，总共10 mg mL-1)溶液。旋涂，然后在90 ℃下退火 5min。
3. PNDIT-F3 N(0.5mg/mL，0.5体积%乙酸的甲醇)，3500rpm 旋涂;
4. 蒸镀100 nm Ag.
文章信息
F. Sun, J. Wu, B. Cheng, L. Kan, F. Hua, W. Sun, H. Wang, Y. Huo, S. Chen, X. Xia, X. Du, F. Liu, E. Wang, X. Guo, Y. Li, M. Zhang, Constructing continuous acceptor fibrillar networks and achieving uniform phase separation via polymer-assisted morphology control for 20.3% efficiency additive-free organic solar cells. Energy & Environmental Science, (2025).
DOI: 10.1039/d5ee01843a
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202507/03/390999.html
