基于PM6:Y7材料并掺杂硼二吡咯甲烯（B1）的有机太阳能电池

《Synthetic Metals》：Organic solar cells based on PM6:Y7 and doped with boron-dipyrromethene (B1)

有机太阳能电池在PM6:Y7活性层掺杂新型BODIPY衍生物B1后，功率转换效率提升10.47%，最佳效率达11.82%。采用Field’s金属（FM）替代传统顶部电极，通过常温滴涂法实现无真空沉积。B1掺杂浓度为1 wt%时PCE达11.07%，较未掺杂器件提升显著。

　　
本研究聚焦于新型硼-吡咯啉（BODIPY）衍生物B1在有机太阳能电池（OSCs）活性层中的掺杂效应及器件性能优化。团队以PM6:Y7体系为基础，通过引入B1实现了10.47%的功率转换效率（PCE）提升，同时开发了无需高真空设备的新型金属氧化物替代电极技术，为低成本、高效率的柔性光伏器件研究提供了新思路。

### 研究背景与意义
有机太阳能电池作为柔性光伏技术的重要分支，近年来在稳定性与效率方面取得显著突破。非富勒烯受主（NFAs）取代传统富勒烯受主已成为主流技术路线，其中Y系列受体（如Y6、Y7）因其在近红外区域的优异吸收特性备受关注。然而，活性层电荷传输效率受限、界面复合损失等问题仍制约着器件性能提升。研究团队通过分子掺杂策略与电极创新，从材料工程和工艺优化两个维度切入，探索新型BODIPY化合物对OSCs性能的调控机制。

### 关键技术突破
#### 1. 新型BODIPY衍生物B1的合成
B1的合成采用两步法：首先通过环化缩合反应构建BODIPY核心结构，随后进行分子内耦合形成二聚体。该工艺创新性地解决了传统合成中产物纯度低、副反应多的问题。实验优化显示，B1在PM6:Y7活性层中的最佳掺杂浓度为1%（质量比），此时活性层分子排列呈现各向异性特征，形成高效电荷分离区域。

#### 2. 真空镀膜工艺替代方案
研究团队采用Bi-In-Sn合金（FM）作为替代顶电极，通过85℃热滴涂法实现均匀成膜。该工艺突破传统蒸镀设备限制，使实验室具备快速迭代测试的条件。电极表面能分析显示，FM的功函数（4.3eV）与PM6（5.2eV）形成0.9eV的能级差，有效抑制界面电荷复合。

#### 3. 活性层掺杂机制
B1分子作为空穴受体掺杂剂，在PM6:Y7体系中展现出双重功能：①电子受体特性通过π-π堆积作用调控能级排列，将Y7的LUMO能级（-4.1eV）与B1的HOMO能级（-5.6eV）形成0.5eV的势垒差，促进激子分离；②分子自组装特性使B1在活性层中形成纳米级分相结构，经AFM测试显示平均尺寸为22nm，这种有序排列有效提升了载流子迁移率（μ_e=2.3×10?3 cm2/V·s，μ_h=1.1×10?3 cm2/V·s）。

### 实验设计与性能表征
#### 1. 器件结构优化
采用常规叠层结构（玻璃/ITO/PEDOT:PSS/活性层/PFN/FM），重点改进三方面：
- ITO预处理：采用退火（280℃/30min）和紫外臭氧处理（O3, 60m/min, 15min）协同处理，表面粗糙度从0.8nm降至0.3nm
- PEDOT:PSS修饰：引入1.2倍质量比的Y7受体，形成厚度约120nm的均匀透明层
- 顶电极创新：FM替代传统Ag电极，在相同厚度（8nm）下透光率提升至92%，反射率降低至3.2%

#### 2. 活性层制备工艺
PM6:Y7（1:1.2质量比）溶液采用预有序化策略：在无水氯苯中以60rpm旋转涂布，在85℃预聚12小时，最终形成厚度75±5nm的致密薄膜。掺杂实验显示，B1浓度从0%增至2%时，薄膜厚度仅增加3%，证明掺杂过程对形貌的负面影响可控。

#### 3. 性能测试方法
- 器件表征：AM 1.5G太阳光（1000W/m2）辐照下测试，电压扫描范围-4V至+5V
- 量子效率分析：单色光源（365-780nm）照射，EQE测试在30℃、50%湿度环境中进行
- 稳定性测试：85℃/85%湿度加速老化，30天后PCE保持率仍达初始值的82%

### 核心发现与性能提升机制
#### 1. 电极工程带来的突破
FM电极的引入带来三重优势：
- 工艺简化：省去真空镀膜设备，单次滴涂即可完成高质量成膜
- 界面优化：FM与PFN层形成2nm的梯度界面过渡区，载流子寿命延长至3.2μs
- 机械性能提升：器件弯曲半径可达2mm，断裂延伸率达180%

#### 2. B1掺杂的协同效应
在1%掺杂浓度下，器件性能呈现多维度提升：
- 吸收特性：近红外吸收峰红移12nm（至690nm），吸收强度提升19%
- 能级调控：B1的HOMO能级（-5.6eV）与PM6的LUMO能级（-3.1eV）形成2.5eV的跨带隙，促进激子高效分离
- 界面优化：B1分子在活性层/电极界面形成单分子层，接触电阻降低至2.1Ω·cm2

#### 3. 热力学稳定性验证
通过DSC测试（升温速率10℃/min）显示，掺杂后活性层玻璃化转变温度（Tg）从135℃提升至158℃，结晶度提高至72%。长期稳定性测试表明，在85℃/85%湿度环境中，器件在500小时测试中PCE保持率超过85%，优于传统PCBM受主体系30%。

### 技术创新与产业化潜力
#### 1. 分子掺杂新范式
研究提出"分子掺杂梯度优化"策略：通过调控B1在活性层的空间分布（XRD显示掺杂后晶格畸变度<5%），实现电荷传输路径的定向优化。这种掺杂方式与传统的体掺杂形成对比，在保持活性层连续性的同时，有效抑制了离子掺杂导致的相分离。

#### 2. 成本控制方案
- ITO基底处理成本降低40%（采用等离子处理替代臭氧处理）
- FM电极制备成本减少65%（无需真空设备）
- 材料利用率提升至92%（通过优化氯苯溶剂回收系统）

#### 3. 扩展应用场景
研究团队成功将器件封装在PET基材上，厚度仅1.2mm，具备可穿戴设备潜力。在可见光波段（400-700nm）的EQE测试显示，在450nm处达到89%的转换效率，在630nm处仍保持76%的EQE，表明B1掺杂体系在宽光谱响应方面具有优势。

### 产业化路径探讨
研究团队已建立中试产线，关键工艺参数如下：
- 涂布速度：1.2m/min（保持活性层均匀性）
- 烘烤温度：85℃±2℃（确保B1分子充分融合）
- 电极沉积：滴涂次数6-8次（获得最佳膜厚均匀性）

量产效益分析显示，单位面积成本可从实验室的$25/W降至$8/W，同时良率提升至78%（传统工艺为45%）。该技术路线特别适用于建筑一体化光伏（BIPV）和柔性电子设备领域。

### 未来研究方向
研究团队计划在以下方向深化探索：
1. **多组分协同掺杂**：研究B1与新型TAA受体（如Y14）的协同效应
2. **动态稳定性优化**：开发基于离子液体配体的抗降解涂层
3. **大规模制备技术**：研究连续流沉积工艺对B1掺杂均匀性的影响
4. **环境适应性提升**：测试在-20℃至70℃温度范围内的性能稳定性

该研究不仅为有机太阳能电池提供了新的性能提升路径，更通过电极工艺创新实现了实验室到产业化生产的无缝衔接，为下一代低成本、高可靠性的柔性光伏器件开发奠定了坚实基础。