港科大&港理工Adv. Energy. Mater.：固体添加剂在逐层涂布法有机活性层形貌调控中的决定性作用

第一作者：吴微微，罗永旻，Top Archie Dela Peña

通讯作者：吴佳莹，颜河，马睿杰

通讯单位：香港科技大学，香港科技大学（广州），香港理工大学

1、研究背景

借助材料创新和器件优化，单结有机太阳能电池（OSCs）开始接近20%的能量转换效率（PCE），使得这种环保、可溶液处理、美观价值高的光伏（PV）技术具有更有前景的市场前景。为了进一步提升OSCs的前景，基于光活性层形貌的研究和推广的效率提升被认为是关键动力，包括许多重要因素，如材料的基本属性和加工方法。

除了持续的新材料合成，开发新的活性层沉积方法在近年来也是一种重要且有效的方式。其中，挥发性固体添加剂的使用和逐层（LBL）沉积已经成为追求理想活性层形貌的两个最热门话题。固体添加剂在实现理想的结晶度和相分离方面被发现非常有效，而且与液体添加剂相比，不会增大能量损失。同时，LBL处理方法被广泛认为在调整供体-受体垂直相分离方面非常有效，这有利于抑制双分子复合，从而提供更好的性能。这两种方法分别已经展现出吸引人的光芒；它们一起被认为可以展示出协同效应，以实现更多的产出。

有趣的是，固体添加剂策略通常应用于供体-受体混合体异质结（BHJ），但只有供体-添加剂或受体-添加剂的相互作用被认为是形态调节器。同时，更复杂的供体-受体-添加剂很少被探索。在LBL处理方面，对供体和受体前驱体同时使用添加剂（无论是液态还是固态）的讨论也不够充分，甚至不被视为科学问题，而更多的是作为工程技术。最近，一些工作关注了添加剂与供体和受体在BHJ和LBL膜中的相互作用，但更系统的机制挖掘和深入理解仍然不足。因此，对固体添加剂在LBL制造场景中对供体层、受体层和得到的活性层的形态和光物理调节效果进行全面研究，将是一项科学上的启示和效率推动的候选者。

2、研究成果

在这里，我们研究了PM6/L8-BO，这是一个在LBL架构中被广泛研究的二元供体-受体系统，以及一个卤化固体添加剂BDCB（2-单溴-1,3-二氯-苯）。具体来说，我们对添加剂在给体/受体溶液中的浓度进行了二维优化，以便在参考BHJPM6:L8-BO的情况下用于LBL架构。我们发现BDCB诱导了PM6:L8-BO混合铸膜中纳米纤维网络的形成，同时调整了结晶特性和相分离，以提高PCE。另一方面，过量的添加剂会导致L8-BO过度聚集，而没有显著的π-π堆叠信号（即，已知会导致电荷传输和设备性能不佳）。对于LBL架构的活性层，BDCB在供体前驱体中的浓度被证实对于精细调节L8-BO在PM6聚合物基质中的溶胀-插层-相分离（SIPS）过程至关重要。BDCB在L8-BO溶液中的浓度主要与其分子堆积有关，特别是π-π堆叠特性。增加PM6中BDCB的浓度可以改变其晶体的领域大小和间隔（即，准多孔结构），这将决定SIPS过程后活性层的最终形态。与以前的报告一致，LBL处理的膜没有明显的供体-受体垂直相分离。然而，平面相分离尺寸可以被大大影响，同样的，结晶行为也是如此。由于这种更灵活的形态调节，优化的LBL设备显示出比其BHJ对应设备更好的PCE。这可以归因于更适合的相分布和有序的分子堆积，有助于提高电荷生成和传输。因此，我们获得了19.03%的效率，这是LBL制备器件的二元OSCs的最前沿水平。这项工作不仅提出了一种新的固体添加剂，用于有效的形态推广，并成功地将固体添加剂应用到LBL类型电池的二维优化中，而且揭示了固体添加剂参与SIPS过程的底层工作机制，并扩展了这个模型的理解深度和重要性。

3、图文介绍

要点：

1、给体受体前驱体溶液内同时添加固体添加剂可以实现性能的细调。

2、二元LBL器件效率达到19%，明显优于BHJ器件。

4、小结

总的来说，出于对探索新兴的卤代苯基型固体添加剂对供体和受体形态调节效果的好奇心，我们对添加剂浓度（即这里的BDCB）在PM6和L8-BO前驱体中进行了二维优化，以用于LBL器件。太阳能电池的性能表明，BDCB在L8-BO中的含量在实现高PCE方面起着关键作用，而其在PM6中的比例可以以更复杂的方式调节形态和设备效率，从而将PCE从18.12%（混合制备）提高到19.03%。在之前确认的SIPS过程的精细调节工程中，发现了协同调节（供体和受体前驱体）。这项工作提供了一个系统的研究案例，关于OSCs的形貌演变，并展示了追求PCEs的新可能性，从而推动实现碳中和的未来。

W. Wu, Y. Luo, T. A. Dela Peña, J. Yao, M. Qammar, M. Li, H. Yan, J. Wu, R. Ma, G. Li, Defining Solid Additive's Pivotal Role on Morphology Regulation in Organic Solar Cells Produced by Layer-by-layer Deposition. Adv. Energy Mater. 2024, 2400354.

https://doi.org/10.1002/aenm.202400354

5、通讯作者简介

马睿杰，香港理工大学卓越博士后研究员。2014-2018年于浙江大学取得物理学学士学位，2018-2022年在香港科技大学攻读化学博士学位（导师：颜河教授）。2022年8月加入香港理工大学电子与信息工程系李刚教授团队。主要从事第三代太阳能光伏器件的前沿科研。2018年入选香港政府研究生奖学金计划（HKPFS）。作为第一或通讯作者参与发表影响因子大于20的期刊论文30篇， 包括：Joule (2篇)，Nat. Commun（1篇），Adv. Mater (3 篇)，Energy. Environ. Sci (3篇)，Nati. Sci. Rev. (1篇)，Adv. Energy Mater (6篇)，Nano. Micro. Lett. (2篇)， Carbon Energy (1篇)。总引用次数超过6000次，H-因子 44。2022、2023年连续入选科睿唯安数据库交叉领域“全球高被引科学家”。

吴佳莹，现担任香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域助理教授、香港科技大学工学院化工与生物分子工程系兼职助理教授。吴教授于2013年获得电子科技大学（微电子与固体电子学院）学士学位；随后在英国伦敦帝国理工学院获得硕士（2013-2014）和博士学位（2015-2019），师从世界顶尖光电物理化学学家、英国皇家科学院院士-James R. Durrant教授；后继续在Durrant课题组从事博士后研究（2019-2021）。吴教授的研究方向为材料光物理与器件物理。其研究的材料主要运用于有机/钙钛矿太阳能电池和光电探测器等光电转化领域。她的研究主要通过超快吸收光谱以及瞬态光电等光谱实验手段，研究光电材料的作用过程中的载流子动力学，分析解释材料和器件的作用机理，为材料设计和器件优化提供指导思路。吴教授带领的材料先进表征与分析团队，旨在攻克新型材料与技术中的基础难题。

颜河，香港科技大学讲席教授，2020年腾讯科学探索奖的50位获奖人之一，在有机电子材料领域有多年研究经验，曾创办著名的Polyera公司。2009年，颜河教授课题组在《自然》杂志上发表了一个高迁移率的n型有机半导体高分子材料。此材料被誉为开启了“新晶体管时代”并登上了《自然》的封面。回到香港科大后，颜河从事有机太阳能领域的研究。在过去几年中多次打破有机太阳能电池的世界纪录。颜河教授的研究成果在2015年被美国国家可再生能源实验室收录进著名的“best research-cell efficiency chart”世界纪录表。

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