用于有机太阳电池加工的新型添加剂

近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室陈军武教授课题组的最新研究成果以“In Situ Removable Additive Assisted Organic Solar Cells Achieving Efficiency over 19% and Fill Factor Exceeding 81%”为题在国际著名期刊Advanced Energy Materials上发表。该工作报道的新型可原位去除的固体添加剂策略和机制为活性层形貌优化提供了新的见解，并为固体添加剂的设计提供了一种新思路。

研究成果在Advanced Energy Materials上发表

有机太阳电池活性层的纳米级形貌通过影响激子扩散、电荷分离、传输及复合，是决定其光电转换效率的关键因素。在活性层中加入溶剂添加剂是最简单有效的方法之一。通过利用远高于主溶剂的沸点和对给体或者受体的选择性溶解度，进而延长薄膜干燥时间，从而有效地调节分子取向和相分离。但高沸点溶剂添加剂由于挥发性差，去除较困难，同时添加剂的残留会导致器件的重复性较差和影响稳定性，这对有机太阳电池的大规模生产应用带来制约。

近年来随着对固体添加剂研究的不断深入，发现其不仅可以有效调节活性层形貌并且能有效避免溶剂添加剂的缺点。目前所报道的固体添加剂通常利用其加热下的挥发性，以确保在活性层薄膜热退火的过程中可以被去除。但是这样的策略也限制有机太阳电池器件在制备过程中对热退火温度的选择。

图1：固体添加剂DIB, CIB, DCB (a) 结构式；(b) TGA性质；(c-e) FT-IR测试

在本工作中研究者开发了两种在旋涂过程中可以被原位去除的新型固体添加剂1-氯-4-碘苯（CIB）和1,4-二氯苯（DCB），可以很好地优化本体异质结活性层形貌（图1），而用以比较研究的固体添加剂1,4-二碘苯（DIB）因熔点或沸点过高不具有旋涂过程原位去除能力。经过深入研究发现经过CIB和DCB处理后的有机混和薄膜的电子和空穴迁移率得以大幅提高并且可以提高激子的解离效率、减少载流子复合、提高载流子寿命以及减少电荷提取时间（图2）。进一步，对表现最为优异的可原位去除固体添加剂CIB进行了普适性研究，将其分别引入不同的二元体系当中，均能使得它们的光电转换效率大幅度提高。最终，经过CIB处理的三元体系获得了19.1%的高器件效率以及81.1%的高填充因子。

图2：器件光伏性能比较

该论文的第一作者为华南理工大学材料科学与工程学院的硕士生孔令晨和博士生张泽升，通讯作者为华南理工大学的陈军武教授和张连杰副教授。该工作还得到了国家纳米科学中心魏志祥研究员以及广州大学张伟副教授的帮助。该项工作受到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，广东省基础与应用基础研究重大专项，广东省自然科学基金，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室基金的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202300763