结晶与相分离调控对有机光伏和光电探测器性能影响的机制解析

研究人员针对有机光伏(OPV)和光电探测器(OPD)中活性层形貌调控的关键科学问题，以PM6:BO-4Cl体系为研究对象，通过系统研究不同添加剂比例处理的100nm和300nm活性层器件性能差异，揭示了结晶与相分离对器件性能的差异化影响机制。研究发现厚膜OPV中添加剂诱导的大尺寸聚集体结构优于精细纤维状结构，而厚膜OPD性能优势不明显；同时证实陷阱密度和电荷生成耦合比能量无序对暗电流影响更大。该研究为绿色溶剂加工厚膜有机光伏器件提供了16.18%的创纪录效率，建立了完整的形貌-性能关系数据库。

　　

在追求碳中和与智慧城市的全球背景下，有机光电器件因其在能源收集和光电探测方面的独特优势而备受关注。有机光伏(OPV)和有机光电探测器(OPD)作为两大代表性器件，其性能提升主要依赖于活性层形貌的精确调控，特别是给受体材料的结晶行为和相分离特征。然而，当前研究存在三个关键问题：厚膜器件性能优化机制不明确、形貌调控对OPV和OPD性能影响的差异性规律不清、暗电流控制因素存在争议。这些问题的解决对推动有机光电器件的产业化应用至关重要。

香港理工大学（The Hong Kong Polytechnic University）的研究团队针对这些问题，以经典PM6:BO-4Cl体系为研究对象，采用绿色溶剂邻二甲苯加工，通过系统调控1,8-二碘辛烷(DIO)添加剂比例，构建了100nm和300nm两种活性层厚度的器件矩阵。研究综合运用了形貌表征、器件性能测试和载流子动力学分析等方法，揭示了结晶与相分离对器件性能的差异化影响机制。

在结果与讨论部分，研究人员首先通过光学特性分析发现，DIO处理显著改变了活性层的吸收特性。随后，形貌表征结果显示添加剂诱导了从精细纤维状网络到大尺寸聚集体的结构转变。令人意外的是，在厚膜OPV中，大尺寸聚集体结构表现出优于精细纤维状网络的性能，这与传统认知相悖。对于OPD器件，研究发现厚膜结构并未如预期那样显著提升器件性能，在探测率(D*)指标上反而略逊于薄膜器件。通过深入分析暗电流机制，研究团队提出了突破性发现：能量无序(energetic disorder)与暗电流无明确相关性，而陷阱密度和电荷生成效率才是关键控制因素。

研究最重要的突破在于实现了基于绿色溶剂加工的厚膜OPV器件16.18%的创纪录效率，这在PM6:BO-4Cl体系中尚属首次。该效率值在邻二甲醇加工的厚膜OPV中处于领先水平。此外，研究还建立了完整的形貌特征参数数据库，为理解OPV和OPD工作模式下的形貌-性能关系提供了系统参考。

在结论部分，作者Top Archie Dela Pe?a等强调，这项工作不仅阐明了添加剂处理对薄膜和厚膜器件的差异化影响机制，更重要的是挑战了领域内关于形貌调控和暗电流控制的一些固有认知。研究发现的三点反直觉现象：(1)厚膜OPV中粗大聚集体优于精细结构；(2)厚膜OPD性能优势不明显；(3)能量无序不主导暗电流，这些发现为有机光电器件的优化设计提供了全新视角。特别值得注意的是，该研究为绿色溶剂加工厚膜有机光伏器件的产业化推进奠定了重要基础，对实现印刷电子的大规模生产具有指导意义。