通过小分子在供体-受体异质界面调控短程传输，有助于提高有机太阳能电池的效率

《Energy & Environmental Science》：Tailoring short-range mobility at donor–acceptor heterointerfaces through small molecules promotes efficient organic solar cells

优化有机太阳能电池异质界面效率的新策略，通过引入低极化率小分子供体（如DG13）作为异质界面纳米填充物，增强电子波函数重叠促进单激子解离，同时降低电荷复合概率。研究结合光物理、形态学及分子动力学模拟，证实SMDs占据异质界面空隙，调控电荷传输路径与能级结构，使 ternary器件认证效率达19.83%。关键机制包括：1）氟化分子极化率降低增强短程电荷迁移；2）紧密堆积异质界面减少电荷驻留时间；3）抑制极化子形成提高电荷收集效率。

　　有机太阳能电池（OSCs）作为下一代可再生能源技术，因其溶液加工性、机械柔性和轻量化特性，正逐步成为替代传统硅基太阳能电池的潜在选择。然而，要实现其大规模商业化，必须在材料设计、器件结构和性能优化方面取得突破性进展。本报告旨在探讨如何通过调控有机半导体材料在供体-受体异质界面处的电子过程，以提升OSCs的光电转换效率，特别是在接近20%效率的领域内推动技术发展。

### 异质界面的电子过程与性能调控

在有机半导体材料中，异质界面是供体分子与受体分子之间相互作用的区域，其结构和电子特性对电荷分离和传输起着至关重要的作用。异质界面通常具有较高的无序程度，相较于纯域结构，其内部存在更多的空隙和自由体积。这些自由体积的存在虽然有利于形成更紧密的分子接触，从而促进单重态激子的解离，但同时也增加了电荷复合的概率，因为自由电荷更容易在异质界面相遇并发生复合反应。因此，如何在不损害单重态激子解离效率的前提下，减少电荷复合损失，成为优化OSCs性能的关键挑战。

本研究提出了一种新的异质界面设计策略，即引入具有较弱分子极化能力的小分子供体（SMDs）作为异质界面的“纳米填充物”。通过在异质界面处填充这些小分子供体，可以增强供体-受体分子之间的电子波函数重叠，从而促进激子解离，同时通过其较低的极化能力，减少电荷在异质界面的停留时间，避免因电荷复合导致的能量损失。这一策略不仅优化了异质界面的电子过程，还提升了电荷传输效率，最终实现了接近20%的器件效率。

### 小分子供体的引入与性能提升

本研究以D18:L8-BO作为基准供体-受体系统，通过引入不同氟化修饰的小分子供体，如B1及其衍生体DG6、DG11、DG12和DG13，系统地研究了其对异质界面电子过程的影响。实验结果表明，氟化修饰能够显著降低分子的极化能力，从而改变异质界面的电子特性。在这些衍生体中，DG13表现出最佳的性能提升效果，其在短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）方面均有所提高，最终实现了19.83%的认证效率（19.48%）。

相比之下，B1-三元体系虽然在激子解离方面有所提升，但由于其较高的极化能力，反而导致了Voc和FF的下降。这一现象进一步验证了分子极化能力对异质界面电子过程的调控作用。具体而言，B1-三元体系中，由于分子极化能力较强，自由电荷更容易与晶格相互作用，形成极化子（polarons），从而降低了其短程迁移能力，增加了电荷复合的概率。而DG13由于其较低的极化能力，减少了电荷与晶格之间的耦合，使得自由电荷能够更快速地迁移至供体纯域，从而有效抑制了电荷复合。

### 光学与形貌分析的验证

为了进一步验证SMDs在异质界面的填充行为，本研究结合了多种光学和形貌分析技术。通过透射光谱和吸收光谱的分解，研究者发现引入SMDs后，异质界面处的吸收偏差参数（δinter）发生了显著变化。这种变化表明，SMDs不仅占据异质界面的自由体积，还改变了其电子特性，从而影响了电荷的传输行为。

此外，通过扫描探针显微镜（SPM）和吉时角X射线散射（GIWAXS）等技术，研究者观察到SMDs在异质界面处形成了更为紧密的分子组装结构。这不仅增强了供体-受体之间的电子波函数重叠，还提高了电荷传输的效率。同时，研究者还发现，SMDs的引入减少了异质界面处的非辐射复合损失，从而提升了器件的稳定性和效率。

### 电荷动力学与迁移行为

为了深入理解SMDs对电荷迁移行为的影响，本研究采用了超快光谱技术，如瞬态吸收光谱（TAS）和太赫兹光电导动力学（THz photoconductivity）。这些技术能够捕捉电荷在异质界面处的生成和迁移过程，从而揭示其动力学特性。

实验结果显示，DG13-三元体系中，电荷在异质界面处的迁移速度显著高于B1-三元体系。这是因为DG13的较低极化能力使得其对电荷的束缚力较弱，从而促进了电荷的短程迁移。与此同时，B1-三元体系中的电荷由于较强的极化能力，更容易与晶格相互作用，形成稳定的极化子，导致其迁移速度下降，从而增加了电荷复合的概率。

### 异质界面的稳定性与长期性能

除了对电荷传输和复合的调控，本研究还关注了异质界面的稳定性问题。通过热老化实验，研究者发现引入SMDs后，器件的稳定性得到了显著提升。这表明，SMDs不仅能够优化异质界面的电子过程，还能够增强器件在长期使用中的耐久性。这一发现为OSCs的商业化提供了重要的理论依据和实验支持。

### 结论与展望

本研究通过引入具有较弱分子极化能力的小分子供体，成功地优化了有机太阳能电池中异质界面的电子过程。这一策略不仅提升了器件的光电转换效率，还增强了其稳定性，为实现20%以上的效率目标提供了新的设计思路。未来，随着对异质界面电子过程的进一步研究，有望开发出更多高效、稳定的有机太阳能电池材料，推动该技术在可再生能源领域的广泛应用。

### 方法

本研究的详细方法和实验步骤已包含在补充信息中，具体包括材料合成、器件制备、光学和形貌分析、电荷动力学测量等。这些方法为理解异质界面的电子行为提供了全面的实验支持。

### 作者贡献

本研究的构思和设计由T. A. Dela Pe?a、R. Ma和J. Wu完成；实验设计和实施由T. A. Dela Pe?a和R. Ma负责；数据分析和撰写由T. A. Dela Pe?a完成，后续的编辑和修改由T. A. Dela Pe?a、R. Ma、M. Li和J. Wu共同完成；项目监督由M. Li和J. Wu负责；资金支持由M. Li和J. Wu获得。

### 矛盾声明

本研究的作者声明不存在与本文相关的利益冲突。

### 数据可用性

本研究中所有数据均包含在文章及其补充信息中，包括方法、补充图表、补充表格、补充讨论和补充说明。具体数据可通过提供的DOI链接访问：https://doi.org/10.1039/d5ee05342k。如有需要，原始数据也可向通讯作者申请获取。