挥发性添加剂MPBT选择性调控有机太阳能电池活性层中非富勒烯受体形貌的研究

针对有机光伏器件(OPV)活性层形貌调控难题，研究人员开发了新型挥发性添加剂2-(2-甲基苯基)苯并[b]噻吩(MPBT)，通过选择性优化非富勒烯受体Y6的分子排列，使PM6:Y6体系短路电流(J SC )和填充因子(FF)显著提升，最终实现功率转换效率(PCE)增长。该研究为精准调控受体域有序性提供了新策略。

　　

有机太阳能电池（OPV）作为可再生能源领域的重要方向，其实验室器件的功率转换效率（PCE）已接近20%，但产业化仍面临活性层形貌控制、器件稳定性与重复性等挑战。传统溶剂添加剂虽能调节富勒烯受体结晶，但对新兴非富勒烯受体（NFA）如Y6的调控效果有限。尤其当使用低沸点溶剂（如氯仿）时，超薄活性层（<100 nm）的均匀性难以保障，严重制约规模化生产。

为解决这一难题，中国科学院的研究团队创新性地设计了一种基于苯并[b]噻吩的挥发性小分子MPBT。该分子在旋涂后保留于PM6:Y6活性层中，经120°C退火完全挥发，同步实现膜厚压缩（从初始厚膜降至70 nm）和Y6受体域有序化。通过紫外可见光谱、原子力显微镜（AFM）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）证实，MPBT优先与Y6相互作用，诱导其结晶相干长度达170 nm的罕见高度取向排列，而给体PM6域几乎不受影响。空间电荷限制电流（SCLC）测试显示，电子迁移率提升数倍，空穴迁移率保持不变，印证了受体选择性的形貌优化机制。最终，含5 wt% MPBT的器件在350-850 nm光谱范围内外量子效率（EQE）全面提升，PCE显著增长，且存储与运行稳定性同步改善。

关键技术方法包括：1）通过低温热重分析（TGA）验证MPBT挥发特性；2）采用传统器件结构ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINO/Ag进行光伏性能测试；3）结合AFM、GIWAXS和接触角测量解析形貌演变规律；4）利用SCLC方法测定电荷迁移率变化。

【化学合成】MPBT通过1-氯-2-[(2-甲基苯基)乙炔基]苯的硫杂环化反应制备，熔点71-72°C，具有高挥发性和与Y6的优先相容性。

【光伏性能】氯苯制备的70 nm活性层在5 wt% MPBT优化下，J
_SC
与FF同步提升，PCE增幅显著；而氯仿体系最佳浓度仅需0.5 wt%，证实溶剂依赖性。

【形貌表征】GIWAXS显示MPBT处理的纯Y6膜出现异常强取向结晶，PM6域则保持原貌，AFM证实退火后表面粗糙度降低。

【电荷传输】SCLC测得电子迁移率提升3倍，与Y6结晶度增强直接相关，而空穴传输通道未受干扰。

【机理阐释】接触角实验揭示MPBT与Y6的表面能匹配度更高，导致其选择性分布于受体域，挥发时诱导分子重排。

该研究开创了"给体:受体:添加剂"三元共混中间态的新策略，通过挥发性添加剂的选择性作用，实现对非富勒烯受体形貌的精准调控。相较于传统化学修饰受体分子的复杂方法，MPBT的简易合成与可控挥发特性为OPV产业化提供了低成本、可扩展的形貌优化方案。尤其值得注意的是，该方法在保持给体相结构的同时定向优化受体域，突破了传统添加剂同时影响双组分的局限，为多元体系形貌工程开辟了新路径。相关成果发表于《Organic Electronics》，为有机光伏的界面工程与器件物理研究提供了重要范例。