论文概览
体异质结光活性层中电荷传输不足是制约有机太阳能电池（OSCs）性能提升的关键瓶颈。传统PM6:L8-BO二元体系虽具潜力，但其电荷复合严重、迁移率不平衡，限制了填充因子（FF）与效率的进一步提升。针对这一难题，华东师范大学保秦烨、广西大学阚志鹏团队创新性地引入高结晶p型有机半导体C8-BTBT作为固体添加剂，通过同步调控电荷动力学与相形态，成功实现了二元OSCs效率20.1%、填充因子81.9%的双突破。该研究以"Boosting Binary Organic Solar Cells Over 20% Efficiency via Synchronous Modulation of Charge Transport and Phase Morphology"为题发表于能源材料顶级期刊《Advanced Energy Materials》。
技术亮点
1.界面能级匹配：C8-BTBT与L8-BO静电吸引抑制过度聚集，PM6:L8-BO与C8-BTBT:L8-BO异质界面均避免电荷转移态陷阱，有效抑制界面复合。
2.电荷动力学优化：空穴转移速率提升至93 fs，电荷寿命延长，双分子复合系数降至9.91×10⁻¹² cm³/s，电荷迁移率更平衡（μₑ/μₕ=1.03）。
3.形貌精细调控：C8-BTBT增强给受体相容性，形成均匀纤维互穿网络，π-π堆叠距离缩短至3.78 Å，结晶相干长度显著提升。
研究意义
✅效率突破：PM6:L8-BO二元体系效率突破20.1%，FF达81.9%，为当前该体系最高值。
✅电荷传输革新：实现理想的Langevin复合抑制，非辐射能量损失降至0.214 eV，EQEEL提升至2.57×10⁻4。
✅优异普适性：固体添加剂策略不改变主体材料结构，适用于多种高性能体系。
深度精读
图1：分子结构与界面能级调控机制
该图系统展示了PM6、L8-BO和C8-BTBT的分子结构及静电势分布特征，通过XPS和UPS能谱分析揭示了C8-BTBT与L8-BO之间的静电相互作用机制。能级排列示意图显示PM6的E1CT+（4.5 eV）高于L8-BO的E1CT-（4.28 eV），有效避免了界面陷阱复合。器件性能数据表明，添加C8-BTBT后效率从18.4%提升至20.1%，FF达到81.9%的创纪录水平，EQE光谱验证了300-400 nm波段的吸光增强贡献。
图2：飞秒瞬态吸收动力学特征
通过800 nm激发的瞬态吸收光谱，观察到C8-BTBT修饰的混合膜中L8-BO在750-850 nm的漂白峰衰减更快，对应PM6在550-650 nm的基态漂白信号加速上升。动力学分析显示激子解离时间从119 fs缩短至93 fs，扩散时间从4.01 ps降至2.34 ps，空穴转移量子效率提升至92%，为高FF提供了动力学基础。
图3：载流子传输与复合抑制效应
暗电流测试显示器件串联电阻降低47%，SCLC测得更平衡的迁移率（μh/μe=1.03）。光强依赖性Voc分析表明非辐射复合显著抑制，TPV/TPC测试证实载流子寿命延长1.8倍。DLTS谱显示陷阱态密度从4.11×10¹⁶ cm⁻³降至1.69×10¹⁶ cm⁻³。
图4：形貌与晶体结构优化特征
AFM和TEM显示C8-BTBT诱导形成更均匀的纤维状网络结构（Rq从1.37 nm降至1.13 nm）。GIWAXS定量分析表明：PM6的π-π堆叠距离从3.88 Å缩小至3.78 Å，相干长度从17.13 Å增至22.25 Å；L8-BO的（100）晶面相干长度从37.18 Å提升至46.71 Å。Flory-Huggins参数从0.675降至0.307，证实相容性显著改善。
结论展望
本研究通过引入高结晶性C8-BTBT作为固体添加剂，成功实现了PM6:L8-BO二元OSCs在电荷传输动力学与相形态上的协同调控，不仅突破了20%的效率瓶颈，更创造了81.9%的填充因子纪录。该策略通过精准的能级设计、复合抑制与形貌优化，为新一代高性能、简化结构的有机太阳能电池提供了切实可行的技术路径。
文献来源
Zhao, B., Zhu, L., Xiong, S., Yu, J., Wang, X., Zhao, J., Tan, L., Zhang, J., Zhong, J., Kan, L., Wan, X., Jiang, K., Li, H., Ma, Z., Liu, Y., Zhu, H., Kan, Z., Liu, F., Sun, Z., Chu, J., Bao, Q. Boosting Binary Organic Solar Cells Over 20% Efficiency via Synchronous Modulation of Charge Transport and Phase Morphology.Adv. Energy Mater. 2025, e04947.
https://doi.org/10.1002/aenm.202504947
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