20.46%效率！結晶動力學調控實現有機太陽能電池效率與穩定性雙突破

當前，有機太陽能電池（organic solar cell, OSCs）在單結器件中已實現超過20%的光電轉換效率，展現出廣闊的應用前景。然而，如何在不犧牲光電流的前提下提升開路電壓（VOC），同時改善器件的熱穩定性和形貌穩定性，仍是制約其產業化的關鍵難題。

近日，來自廣西大學、香港科技大學、香港理工大學和浦項科技大學等多家單位的研究團隊，提出了一種全新的分子設計策略：通過不對稱端基設計，開發出一種新型非富勒烯受體材料——BTP-FClO。該材料不僅具有高的LUMO能級和適度的自聚集傾向，更重要的是，它能夠顯著延緩活性層的結晶動力學，從而實現對共混膜形貌的精確調控。研究團隊將BTP-FClO作為第三組分引入PM6:L8-BO體系中，原位紫外-可見吸收光譜顯示，受體相的成核起始時間從132 ms顯著延長至199 ms。這一動力學調控有效抑制了L8-BO的過度聚集，促進了更精細、更穩定的纖維狀網絡結構的形成。GIWAXS結果表明，三元共混膜的π-π堆積距離縮短至3.27 ?，晶體相干長度增大，且載流子傳輸更加平衡。

得益于上述形貌與能級的協同優化，基于PM6:L8-BO:BTP-FClO的三元器件的VOC提升至 0.916 V（二元器件為0.890 V）、JSC提高至 28.02 mA cm?2和FF達到79.72%最終PCE高達 20.46%（第三方認證效率 20.12%）。更為重要的是，該三元體系展現出卓越的熱穩定性：在60°C連續熱退火下，T80壽命從二元器件的72小時延長至448小時。這得益于BTP-ClO較高的玻璃化轉變溫度（Tg= 128 °C），顯著提升了共混膜的形態剛性。此外，在連續LED光照下，器件經過1200小時后仍保持90%以上的初始效率。值得強調的是，該策略具有廣泛的通用性。研究團隊進一步將BTP-FClO引入PM6:Y6、PM6:BTP-eC9和PM6:L8-BO-X體系中，所有三元器件的VOC與PCE均獲得顯著提升，驗證了BTP-FClO作為“結晶動力學調節劑”的普適性。本工作不僅為高效三元OSCs提供了新的材料設計范式，也為實現厚膜加工與大面積制備奠定了重要基礎。

相關研究成果以“20.46% Efficient Organic Solar Cells with Concurrent Voltage Enhancement and Thermal Stability Enabled by Crystallization-Kinetics-Controlled Morphology”為題發表于能源領域頂級期刊Energy & Environmental Science。論文第一作者為廣西大學博士研究生梁安海，共同第一作者為香港科技大學博士研究生李淳亮，共同通訊作者為廣西大學闞志鵬教授、香港科技大學顏河教授及香港理工大學鄒博森博士。此外，本研究得到了韓國浦項科技大學Kilwon Cho教授和Sein Chung博士的平臺技術支持

論文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D6EE01250G

圖1. (a) PM6、BTP-ClO與L8-BO的化學結構式；(b) 溶液與薄膜狀態下的歸一化紫外-可見吸收光譜；(c) 材料的能級排布圖；(d) 材料的面外（OOP）GIWAXS線切圖；(e) 不同受體在溶液向固態轉變過程中的二維時間分辨原位吸收光譜。

圖2.(a) 不同活性層在旋涂成膜過程中的二維時間分辨原位吸收光譜；(b) 不同延遲時間下材料的光激發動態響應譜；(c) 旋涂過程中各活性層特征峰位置的時間演化曲線。

圖3.(a) 原子力顯微鏡；(b) 透射電子顯微鏡；(c) 二維GIWAXS衍射圖；(d) 面內（IP）與(e) 面外（OOP）的GIWAXS線切圖。

圖4.(a) 二元與三元有機太陽能電池的J-V特性曲線；(b) PCE效率統計直方圖；(c) 外量子效率（EQE）光譜；(d) 暗態下的J-V曲線；(e) 450 nm和(f) 730 nm激發下的光致發光光譜；(g) 態密度（DoS）分布；(h) Nyquist圖；(i) Mott-Schottky曲線。

圖5.(a)開路電壓Voc與(b)短路電流密度Jsc隨光強變化的關系；(c)本工作及文獻報道器件的FF與Voc關系圖；(d)深能級瞬態譜（DLTS）分析；(e)載流子濃度隨延遲時間的變化；(f)瞬態光電流（TPC）與瞬態光電壓（TPV）測試結果；(g)不同溫度退火后薄膜UV-vis光譜偏移量；(h) 60°C氮氣氛圍下的熱穩定性；(i)連續LED光照下的器件穩定性。

圖6.(a) Y6、BTP-eC9、L8-BO-X的化學結構式；(b)三種體系二元與三元器件的J-V曲線；(c)對應的外量子效率（EQE）光譜。

綜上所述，我們設計并合成了一種不對稱端基非富勒烯受體BTP-FClO，通過引入甲氧基與減少鹵化修飾，有效調控了端基偶極矩，弱化了分子內電荷轉移效應，從而實現了吸收光譜藍移、帶隙增大以及LUMO能級的抬升。將BTP-FClO作為第三組分引入PM6:L8-BO體系后，其延緩的結晶動力學將受體相成核起始時間從132 ms延長至199 ms，顯著抑制了L8-BO的過度聚集，形成了更緊密的π-π堆積（3.27 ?）和更優的纖維狀相分離網絡。因此，基于PM6:L8-BO:BTP-FClO的三元OSCs器件實現了20.46%的高效率（認證20.12%），同時開路電壓（0.916 V）、短路電流密度（28.02 mA cm?2）和填充因子（79.72%）均得到同步提升。更重要的是，該器件展現出卓越的熱穩定性（60°C下T80達到448小時）和光穩定性（1200小時后效率保持90%以上），并在多種Y系列受體體系中表現出良好的普適性。本研究強調了通過分子設計調控結晶動力學與端基偶極矩，是同步提升有機太陽能電池效率、電壓與穩定性的有效策略，為高性能光伏材料的開發提供了新思路。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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