卤代二苯醚溶剂添加剂实现效率近20%的有机太阳能电池及高性能不透明/半透明组件

研究人员针对有机太阳能电池(OSCs)活性层形貌调控难题，开发了三种卤代二苯醚(DPE-X)溶剂添加剂。通过增强DPE-Br与受体L8-BO的非共价相互作用，优化了PM6:L8-BO活性层的分子堆积和相分离，使器件效率(PCE)提升至18.4%。采用D18给体时，二元和三元OSCs分别实现19.01%和19.81%的PCE，11.6 cm2不透明/半透明组件效率达16.42%/10.5%，为建筑一体化光伏提供了新方案。

　　

有机太阳能电池(OSCs)因其柔性、半透明和大面积制备等优势，被视为最具前景的新能源技术之一。近年来，非富勒烯小分子受体(SMAs)和聚合小分子受体(PSMAs)的发展将OSCs的功率转换效率(PCE)提升至19%以上。然而，要实现高效的激子解离和电荷传输，活性层需要形成具有适当分子结晶度和相分离的纳米级互穿网络结构。目前，高沸点溶剂添加剂被认为是调控活性层形貌最简便直接的方法，但如何通过分子设计精确调控添加剂与活性材料相互作用仍是挑战。

西安交通大学等单位的研究团队在《National Science Review》发表研究，开发了三种卤代二苯醚溶剂添加剂(氟代DPE-F、氯代DPE-Cl和溴代DPE-Br)，系统研究了其对PM6:L8-BO活性层形貌和器件性能的影响。研究采用密度泛函理论(DFT)计算、掠入射广角X射线散射(GIWAXS)、原子力显微镜(AFM)、飞秒瞬态吸收光谱(fs-TAS)等技术，发现DPE-Br具有更高的沸点(305°C)和偶极矩，能与L8-BO形成更强的非共价相互作用(-24.32 kcal mol^-1)，诱导更紧密有序的分子堆积。

【材料设计与表征】

通过DFT计算发现DPE-X添加剂更易与L8-BO形成非共价相互作用，其中DPE-Br结合能最高。GIWAXS显示DPE-Br处理的L8-BO薄膜具有更小的π-π堆积距离(3.5 ?)和更大的晶体相干长度(CCL, 22.6 ?)。薄膜深度依赖光吸收谱(FLAS)证实DPE-Br能优化活性层垂直相分布。

【器件性能优化】

基于PM6:L8-BO的OSCs，DPE-Br处理器件获得18.4%的PCE(J_SC=26.81 mA cm^-2, FF=79.08%)，优于DPE-F(17.73%)和DPE-Cl(18.03%)。采用D18给体后，DPE-Br处理的D18:L8-BO:BTP-eC9三元器件PCE达19.81%。空间电荷限制电流(SCLC)测试显示DPE-Br器件具有更平衡的载流子迁移率(μ_h=3.42×10^-4, μ_e=3.27×10^-4 cm² V^-1 s^-1)。

【大面积组件制备】

11.6 cm²不透明组件PCE达16.42%，半透明组件(15 nm Ag)实现10.5%的PCE和27%的平均可见光透过率(AVT)。热成像显示15 nm Ag组件可使物体温度从35.9°C降至27.2°C，展现出优异的隔热性能。

该研究通过卤代DPE添加剂的分子设计，实现了活性层形貌的精确调控，创下了当时二元/三元OSCs的效率记录。特别是DPE-Br在增强分子间相互作用、优化垂直相分布方面的独特优势，为高效OSCs及组件的制备提供了新策略。研究提出的卤化分子工程思路，可拓展至其他有机光电材料体系，对推动有机光伏的产业化应用具有重要意义。