论文概览
活性层形貌的精确调控是推动有机太阳能电池走向实际应用的关键。然而，传统体异质结体系中聚合物给体易发生快速均相成核，形成无序微晶区域，限制了器件性能的进一步提升。针对这一问题，陈红征团队创新提出基于聚合物主链片段的结晶模板策略，设计合成小分子BDD-C6，通过延缓成膜过程、促进聚合物有序排列，显著优化了活性层的垂直相分布与分子堆积有序性，最终在PM6:L8-BO体系中实现19.81%的效率，并在400 nm厚膜下仍保持16.93% 的高效率，同时PM6:BTP-eC9体系效率突破20%。该研究以"Precise Morphology Control via Backbone-Derived Solid Additive Enables Binary Organic Solar Cells to Achieve 20% Efficiency and Thick-Film Compatibility"为题发表于顶级期刊《Advanced Materials》。
技术亮点
1. 精准分子设计：BDD-C6提取自PM6主链BDD单元，末端修饰烷基化噻吩，与给体高度兼容，避免光谱竞争，并具备潜在FRET能量转移。
2. 形貌调控机制：BDD-C6延缓成核过程，延长聚合物有序排列时间窗口，促进J-聚集和纤维状结构形成，提升相纯度和结晶一致性。
3. 垂直分布优化：在醇溶性衬底上，BDD-C6诱导形成给体富集于底部、受体富集于顶部的理想垂直相分布，构建高效电荷传输通道。
4. 激子与电荷行为优化：激子扩散长度从20.09 nm提升至21.56 nm，空穴与电子迁移率显著提升并更趋平衡，非辐射复合损失大幅降低。
研究意义
✅效率突破：PM6:L8-BO体系效率达19.81%，PM6:BTP-eC9体系突破20%，D18:L8-BO体系更实现20.18%的冠军效率。
✅厚膜兼容：在400 nm厚膜中仍保持16.93%的效率，厚度容忍度（TT）显著提升，具备强产业化潜力。
✅策略普适性强：策略成功拓展至D18体系，采用DTBT-C6同样实现形貌优化与性能提升，验证了主链衍生模板的通用性。
✅稳定性优异：BDD-C6器件在960小时存储后仍保持87.89%初始效率，具备良好商业化前景。
深度精读
图1：材料结构与热性能表征
该图系统展示了关键材料PM6、BDD-C6和L8-BO的化学结构、静电势分布、光吸收与发光特性、能级排列以及表面润湿性等物理化学性质；同时通过热重分析、差示扫描量热和偏振光学显微镜揭示了BDD-C6优异的热稳定性和结晶行为，为其作为结晶模板调控活性层形貌提供了理论基础。
图2：薄膜形成动力学与激子行为
通过原位紫外-可见光谱分析，该图揭示了BDD-C6加入后延长了PM6的成核过程并促进分子有序排列，同时结合膜层深度依赖的吸收谱与激子扩散长度测试，表明添加剂优化了活性层的垂直相分布和激子解离效率，为提升器件性能提供了动力学依据。
图3：形貌与分子堆叠结构
原子力显微镜和掠入射广角X射线散射结果表明，BDD-C6的引入增强了共混薄膜的相分离程度和分子结晶有序性，π-π堆积峰半高宽减小、晶体相干长度增加，说明形成了更连续且有序的给受体互穿网络，有利于电荷传输并降低复合损失。
图4：器件性能与载流子动力学
该图对比了有无BDD-C6时器件的电流密度-电压特性、外量子效率以及效率分布，飞秒瞬态吸收光谱显示BDD-C6提升了空穴转移效率；电致发光与傅里叶变换光电流谱分析进一步表明，添加剂显著降低了非辐射复合损失，从而提高了开路电压和整体转换效率。
图5：厚膜与普适性器件验证
从器件结构示意图到不同厚度活性层的性能测试，该图说明BDD-C6使PM6:L8-BO体系在400纳米厚度下仍保持16.93%的效率；在PM6:BTP-eC9体系中效率突破20%，证明了该策略在不同材料组合中的广泛适用性，为面向实际应用的高厚度兼容性有机太阳能电池提供了实验支持。
图5：主链衍生策略的普适性验证
通过设计基于D18主链单元DTBT的小分子DTBT-C6，该图表明其在D18:L8-BO体系中同样可优化垂直相分布并提升分子聚集有序性，使二元器件效率达到20.18%，验证了从聚合物主链片段衍生结晶模板这一形貌调控策略在不同给体体系中的通用性与有效性。
结论展望
本研究提出了一种基于主链衍生结晶模板的通用形貌调控策略，通过设计小分子BDD-C6与DTBT-C6，成功实现活性层垂直相分布、结晶性与相纯度的协同优化，显著提升激子利用与电荷传输效率，最终在多个二元体系中实现20%以上的高效率并具备优异厚膜兼容性。该策略为高性能、可规模化制备的有机太阳能电池提供了新的材料设计与形貌工程思路。
文献来源
Wei, L., Zhan, L., Yang, Y., Chen, T., Yu, J., Sun, X., Hu, H., Sun, R., Min, J., Li, Y., Wu, J., Che, J., Zhang, G., Zhang, J., Li, Y., Yin, S., Chen, H. Precise Morphology Control via Backbone-Derived Solid Additive Enables Binary Organic Solar Cells to Achieve 20% Efficiency and Thick-Film Compatibility. Adv. Mater. 2025, e18516.
https://doi.org/10.1002/adma.202518516
仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202512/02/50013782.html
