论文概览
针对有机太阳能电池(OSCs)中活性层形貌调控与电荷传输性能难以协同优化的问题，该研究创新性地引入p型棒状液晶有机半导体Ph-BTBT-10作为多功能添加剂，应用于D18:L8-BO基二元体系。该液晶分子凭借其强π-π堆积能力和高本征空穴迁移率，在精确调控活性层纳米形貌的同时，显著提升了载流子迁移率与电荷传输性能。研究显示，Ph-BTBT-10可延长激子扩散长度、促进电荷分离、抑制复合过程，并显著提高空穴迁移率。最终，优化后的二元器件实现了20.3%的功率转换效率(PCE)，短路电流密度(JSC)达27.28 mA cm⁻²，填充因子(FF)为80.5%，是目前二元OSCs中效率最高的体系之一。该成果以“A p-Type Liquid-Crystal Semiconductor with Synergistic Morphological and Charge-Dynamic Modulation Enables 20.3%-Efficiency Binary Organic Solar Cells”为题发表于Advanced Materials。
技术亮点
1.液晶添加剂策略：Ph-BTBT-10具备液晶自组装特性与高迁移率，实现形貌与电学性能双重调控。
2.分子堆积优化：GIWAXS显示更紧密的π-π堆叠(D18:3.59 Å)和更高晶体相干长度，促进电荷传输。
3.激子扩散增强：瞬态吸收光谱(TAS)显示L8-BO激子扩散长度从28.80 nm提升至36.65 nm。
4.电荷动力学改善：电荷分离速率提升，复合速率降低，三重态形成被抑制。
研究意义
✅效率突破：D18/L8-BO二元器件效率突破20%，达20.3%，JSC与FF同步提升。
✅形貌-电学协同调控：首次实现添加剂在形貌优化与电荷传输增强方面的双重功能。
✅激子与电荷动力学优化：延长激子扩散、促进分离、抑制复合，全面提升器件性能。
✅普适性验证：在PM6:L8-BO和PM6:BTP-eC9体系中同样有效，PCE分别达19.6%与19.2%。
深度精读
图1：Ph-BTBT-10调控活性层结构与光学特性
该图通过UV-Vis-NIR光谱和GIWAXS分析揭示了Ph-BTBT-10对D18和L8-BO薄膜分子堆积的调控作用。数据显示Ph-BTBT-10增强了π-π堆叠强度，使D18的π-π堆叠距离从3.67 Å缩短至3.59 Å，同时提高了分子有序性。L8-BO薄膜也表现出类似的优化趋势，这种分子层面的调控为后续高效的电荷传输奠定了基础。图中清晰的衍射峰表明Ph-BTBT-10诱导形成了长程有序的晶体结构，这是实现高填充因子的关键因素。
图2：Ph-BTBT-10调控薄膜形成动力学与相分离
该图结合原位UV-Vis和分子动力学模拟展示了Ph-BTBT-10在薄膜形成过程中的独特作用。研究发现Ph-BTBT-10将结晶时间从187ms延长至272ms，这种延缓效应有利于形成更理想的相分离形貌。分子动力学模拟进一步证实Ph-BTBT-10与D18的相互作用能(-10910.9 kJ mol-1)强于与L8-BO的相互作用(-10596.1 kJ mol-1)，这种选择性相互作用引导了更有序的分子排列，最终形成了有利于电荷传输的双连续网络结构。
图3：Ph-BTBT-10提升器件性能与电荷传输
该图系统展示了Ph-BTBT-10处理后的器件性能提升，包括J-V曲线、EQE响应和电荷传输特性。优化后的器件实现了20.3%的转换效率，短路电流密度提升至27.28
mA cm-2，填充因子高达80.5%。通过SCLC测量发现，Ph-BTBT-10使空穴迁移率从1.5×10-4提高到2.3×10-4 cm2 V-1 s-1。同时，介电常数从2.30提升至2.88，缺陷密度显著降低，这些变化共同促成了器件性能的全面提升。
图4：Ph-BTBT-10优化活性层纳米形貌
该图通过AFM和AFM-IR技术，该图揭示了Ph-BTBT-10对活性层形貌的精细调控。处理后的薄膜形成了更均匀的纳米纤维网络结构，相分离尺寸从约25 nm优化至更理想的尺度。AFM-IR图像特别显示L8-BO的聚集行为显著增强，这种形貌优化增加了给体/受体界面面积，有利于激子解离。同时，表面能分析表明Ph-BTBT-10适度降低了组分间的混溶性，抑制了过度聚集，形成了更理想的相分离结构。
图5：Ph-BTBT-10调控激子与电荷动力学
该图通过瞬态吸收光谱深入分析了Ph-BTBT-10对激子和电荷行为的影响。研究发现Ph-BTBT-10将L8-BO的激子扩散长度从28.80 nm提升至36.65 nm，显著增强了激子利用效率。同时，电荷分离速率(KS)提高而复合速率(Kr)降低，表明Ph-BTBT-10优化了电荷生成和收集过程。特别值得注意的是，Ph-BTBT-10处理抑制了三重态激子的形成，减少了非辐射复合损失，这些发现从光物理层面解释了器件性能提升的机制。
结论展望
该团队通过引入p型液晶半导体Ph-BTBT-10作为多功能添加剂，成功实现了活性层形貌与电荷动力学的协同优化，在D18:L8-BO二元体系中获得了20.3%的高效率。该策略不仅显著提升了器件的JSC和FF，还保持了良好的热稳定性(900小时老化后保持84%初始效率)。Ph-BTBT-10在PM6:L8-BO和PM6:BTP-eC9体系中的普适性进一步证明了其作为高性能OSCs添加剂的广阔应用前景。未来可进一步探索该类液晶材料在不同给受体组合中的适用性，并结合理论计算深入揭示其调控机制，推动OSCs性能迈向新高度。
文献来源
Chen, T., Zhong, Y., Dong, X., Wang, J., Feng, W., Zhang, J., Han, K., Wupu, A., Fu, W., Kan, B., Chen, Y. A p-Type Liquid-Crystal Semiconductor with Synergistic Morphological and Charge-Dynamic Modulation Enables 20.3%-Efficiency Binary Organic Solar Cells.Adv. Mater.2025, e12694.
DOI:10.1002/adma.202512694.
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