用于非富勒烯有机太阳能电池的两亲性聚合物互连网络：有序的分子堆叠实现高效能量转换

《Advanced Energy Materials》：Amphiphilic Polymer Conetworks for Non-Fullerene Organic Solar Cells: Regulated Molecular Stacking Enables Efficient Downconversion

本研究将两亲性聚合物自组装网络（APCNs）作为有机光伏（OPV）活性层的间隔层，整合了亲水性发光染料（如DCM、C6、FL），通过纳米分离结构避免染料与主活性材料（PM6:Y6）的直接接触。实验表明，平面结构的DCM染料通过能量转移和增强π-π堆积显著提升短路电流至27.3 mA/cm2，光电转换效率达16.51%；而非平面染料（如FL）因阻碍分子排列导致性能下降。APCNs通过调控材料相分离和分子排列，实现了光吸收增强和电荷传输优化，为多功能间隔层设计提供了新思路。

　　本文探讨了一种创新的材料设计策略，即利用两亲性聚合物共网络（Amphiphilic Polymer Conetworks, APCNs）作为有机光伏器件（OPVs）的活性层基质，以整合原本与传统OPV结构不兼容的发光材料。这种策略不仅解决了材料相容性问题，还提升了光子和电荷传输效率，从而改善了OPV的性能。APCNs由纳米级分离的亲水和疏水域组成，通过化学键连接，形成双相纳米结构。亲水域主要由聚羟乙基丙烯酸（poly(HEA)）构成，而疏水域则由聚二甲基硅氧烷（PDMS）构成。这种结构的优势在于其优异的光学透明性和机械强度，同时能够通过氢键等相互作用，对不同材料进行精确的控制加载。

为了进一步验证APCNs在OPV中的应用潜力，研究团队选择了三种有机发光材料：荧光素（Fluorescein, FL）、香豆素6（Coumarin 6, C6）和二氰基乙烯基-4H-吡喃（Dicyanomethylene-4H-pyran, DCM）。这些发光材料具有高光致发光量子产率，并且其吸收光谱与PM6:Y6的活性层材料相匹配，从而实现有效的能量转移。通过AFM（原子力显微镜）和ToF-SIMS（飞行时间二次离子质谱）等手段，研究团队对APCNs的结构和材料分布进行了详细分析。结果表明，APCNs的引入并未显著改变活性层的宏观形态，同时确保了发光材料与活性层之间的有效隔离，避免了直接接触带来的负面影响。此外，研究还发现，由于APCNs的疏水域和亲水域的物理分离，发光材料能够在不干扰电子传输的情况下，增强光子吸收和能量转移效率。

在器件性能方面，研究团队测试了不同发光材料对OPV性能的影响。结果显示，当DCM被整合到APCNs中时，器件的短路电流密度（Jsc）从25.7 mA/cm2提升至27.3 mA/cm2，而开路电压（Voc）保持稳定在0.86 V。相比之下，C6和FL的加入则对Jsc产生了较小的提升，甚至在某些情况下导致性能下降。这表明，发光材料的分子结构对其在OPV中的表现具有重要影响。例如，DCM的平面结构有助于增强Y6的π-π堆叠效应，从而提高电荷传输效率；而FL的非平面结构则可能破坏Y6的分子排列，导致电荷传输路径受阻，进而影响器件性能。

通过GIWAXS（掠入射广角X射线散射）和TA（瞬态吸收光谱）分析，研究团队进一步揭示了发光材料与活性层之间的相互作用机制。GIWAXS结果表明，DCM的加入改善了Y6的分子堆叠和排列，增强了π-π相互作用，而FL的加入则因分子结构的不匹配导致Y6的堆叠受到干扰。TA光谱分析则显示，发光材料通过非辐射能量转移（F?rster共振能量转移，FRET）将能量传递给活性层材料，延缓了活性层材料的基态漂白（GSB）过程，从而提高了光子捕获效率。这些结果表明，APCNs的纳米级相分离结构能够有效促进能量转移，同时保持电子传输的完整性。

此外，研究团队还对APCNs在OPV中的稳定性进行了评估。在85°C、无封装的条件下，持续光照测试表明，DCM的加入显著提高了器件的稳定性，尤其是在最大功率点（MPP）测试中，PCE的保留率从49.6%提升至59.8%，而T80寿命从0.96小时延长至1.63小时。这说明，APCNs不仅能够增强光子吸收和能量转移，还能通过改善材料的堆叠结构，提高器件的长期稳定性。

在实验方法方面，研究团队采用了多种技术手段，包括AFM、ToF-SIMS、GIWAXS和TA等，以全面评估APCNs对OPV性能的影响。其中，AFM用于分析薄膜表面形貌和粗糙度，ToF-SIMS则用于研究材料在薄膜中的分布情况，GIWAXS用于探究分子堆叠和排列变化，而TA则用于分析能量转移过程。这些技术的结合，使得研究团队能够从光子、电荷传输和材料结构等多个角度深入理解APCNs在OPV中的作用机制。

总的来说，本文提出了一种基于APCNs的多功能策略，通过将发光材料嵌入纳米相分离的基质中，不仅解决了传统OPV中发光材料与活性层之间的相容性问题，还提升了光子捕获和能量转移效率。这一策略为下一代OPV器件的设计提供了新的思路，即通过引入功能性添加剂，如发光材料，来提升器件的整体性能。此外，研究还强调了APCNs作为通用平台的潜力，其可以用于调节材料的堆叠结构和界面特性，从而优化OPV的光电性能。这种材料设计方法不仅适用于当前的PM6:Y6体系，还可能拓展到其他OPV材料体系，为未来的高效、稳定和柔性光伏器件开发提供了重要的理论和技术支持。