论文概览
针对有机太阳能电池（OSCs）中空穴传输层（HTL）分子偶极矩小、排列无序导致界面能量损失严重的问题，该团队创新性地提出瞬态偶极策略，设计合成新型SAM材料Th-Cz。该分子在热退火过程中形成瞬态共振结构（tr-Cz），使其偶极矩从1.90 D提升至3.81 D，增强分子间偶极-偶极相互作用，实现高度有序排列与垂直取向。基于PM6:Y6和D18-Cl:N3:AT-β2O体系的器件分别实现19.34%和20.91%（认证效率20.67%）的效率，后者创下单结OSCs认证效率世界纪录。该研究以"Transient Dipole Strategy Boosts Highly Oriented Self-Assembled Monolayers for Organic Solar Cells Approaching 21% Efficiency"为题发表于Journal of the American Chemical Society。
技术亮点
1.瞬态共振结构：Th-Cz在100°C退火下形成tr-Cz，偶极矩提升至3.81 D，促进有序自组装。
2.高度取向偶极：SFG光谱显示Th-Cz薄膜具有垂直于基底的偶极取向，增强界面极化与空穴提取。
3.垂直相分离调控：范德华力作用诱导给体优先结晶，形成底部分子富集相，平衡载流子迁移率。
研究意义
✅效率突破：D18-Cl:N3:AT-β2O体系效率达20.91%，认证效率20.67%。
✅界面损失抑制：有序偶极排列显著降低非辐射复合，提升VOC与FF。
✅载流子传输优化：垂直相分离结构实现更平衡的电子/空穴迁移率。
✅通用性与柔性兼容：在PM6:L8-BO、PM6:BTP-eC9等体系中均表现优异，柔性器件效率达19.63%。
深度精读
图1：分子结构与电子特性对比分析
该图展示了2PACz和Th-Cz的分子结构、电子特性及共振现象。图1a比较了两种分子的化学结构和偶极矩，显示Th-Cz通过引入噻吩基团形成了瞬态共振结构（tr-Cz），其偶极矩是2PACz的两倍。图1b的静电势（ESP）分布显示Th-Cz的噻吩基团具有更强的负电性。图1c的盆地分析和图1d的平均局部电离能（ALIE）进一步证实了Th-Cz的电子离域特性。图1e的电子自旋共振（ESR）谱表明Th-Cz在100°C时形成瞬态自由基，而2PACz无此现象，这为Th-Cz的瞬态共振结构提供了实验证据。
图2：热退火对分子排列与取向的影响
该图研究了热退火对分子排列和取向的影响。图2a和2b的紫外-可见吸收光谱显示，Th-Cz在100°C退火后吸收峰红移，表明形成了有序组装。图2d的和频振动光谱（SFG）显示退火后的Th-Cz薄膜在1600和3100 cm⁻¹处的特征峰强度增强，证实了分子偶极垂直于基底的取向排列（图2e）。相比之下，2PACz的SFG信号无明显变化，说明Th-Cz的瞬态共振结构促进了高度有序的分子排列。这种取向排列有助于提高空穴传输层的极化和电学性能。
图3：电学性能与垂直相分离表征
该图展示了不同空穴传输层的电学性能和活性层的垂直相分离特性。图3a的载流子迁移率分析表明Th-Cz薄膜的能量无序参数（σ）从2PACz的63 meV降至39 meV，说明分子有序性提高。图3b的I-V曲线显示Th-Cz的导电性优于2PACz。图3c的表面电位测试和UPS测量（图S9）证实Th-Cz具有更高功函数（5.28 eV）。图3d的薄膜深度依赖光吸收谱（FLAS）显示Th-Cz基活性层底部给体（PM6）含量达63.5%，形成了给体富集的垂直相分离结构，这有利于平衡载流子迁移率。
图4：结晶动力学与激子生成调控机制
该图揭示了Th-Cz调控活性层结晶动力学和激子生成的机制。图4a的原位紫外吸收表明Th-Cz基活性层中PM6先于Y6结晶，形成给体富集的底部相。图4b的结合能计算和图4c的二维核磁共振谱证实Th-Cz与PM6之间存在强范德华相互作用（-30.36 kcal/mol），而Th-Cz与Y6相互作用较弱（-14.44 kcal/mol）。图4d的激子生成轮廓显示Th-Cz基活性层的最大激子生成区位于膜中层（57 nm深度），不同于PEDOT:PSS和2PACz基器件的底部生成（73-76 nm），这种分布有利于平衡电荷传输。
图5：器件性能与稳定性全面评估
该图系统比较了不同空穴传输层有机太阳能电池的性能和稳定性。图5a的J-V曲线显示Th-Cz基器件效率，优于PEDOT:PSS和2PACz。图5b的统计分布和图5c的外量子效率（EQE）谱验证了结果的可靠性。图5d的雷达图表明Th-Cz器件在开路电压（0.86 V）、填充因子（80.42%）和非辐射能量损失等方面具有优势。图5e的最大功率点跟踪测试显示Th-Cz器件在1500小时光照后仍保持80%初始效率，展现了优异的操作稳定性。
图6：普适性验证与柔性器件突破
该图展示了Th-Cz在不同活性层体系和柔性器件中的卓越表现。图6a的效率统计表明Th-Cz在PM6:L8-BO（18.93%）、PM6:BTP-eC9（19.27%）和D18-Cl:N3:AT-β2O（20.91%）体系中均实现性能突破。图6b的J-V曲线显示D18-Cl:N3:AT-β2O基器件获得20.91%效率（认证20.67%），创下单结有机太阳能电池纪录（图6c）。图6d-e的柔性器件在PET基底上实现19.63%效率（图6f），展现了Th-Cz在柔性电子领域的应用潜力。这些结果证实了瞬态偶极策略对不同活性层和基底的广泛适用性。
结论展望
该团队通过瞬态偶极策略成功开发出新型SAM材料Th-Cz，其在热退火过程中形成高偶极矩共振结构，实现高度有序排列与垂直偶极取向，显著提升界面空穴提取能力与载流子传输平衡性。基于该策略的OSCs实现了20.67%的认证效率，柔性器件效率达19.63%，均创下相应体系纪录。该策略为高性能、高稳定性HTL的设计提供了新思路，具备良好的通用性与产业化潜力。未来可进一步拓展至其他光电体系，并结合理论计算深入解析瞬态偶极形成机制，推动OSCs向商业化应用迈进。
文献来源
Mou, H., Yin, Y., Chen, H., et al. Transient Dipole Strategy Boosts Highly Oriented Self-Assembled Monolayers for Organic Solar Cells Approaching 21% Efficiency.J. Am. Chem. Soc.2025,147, 21241–21251.
DOI:10.1021/jacs.5c08124.
仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。
