彭强溶剂蒸汽扩散驱动调控NFA的多尺度预聚集行为实现高性能OSCs

主要内容

活性层形貌的精准调控是提升有机太阳能电池效率的关键所在，但该目标的实现仍存在挑战。为此，四川大学彭强和徐小鹏等人开发并应用了一种溶剂蒸汽扩散（SVD）策略，旨在精准调控逐层制备型有机太阳能电池（layer-by-layer OSCs, LbL OSCs）中非富勒烯受体（NFA）的多尺度预聚集行为，为高性能有机太阳能电池的结构调控提供了有效手段。

该策略的核心原理为：在逐层制备器件之前，将苯蒸汽扩散至甲苯基受体溶液（如L8-BO的甲苯溶液）中构建垂直溶剂梯度，进而实现精细的形貌调控。经20分钟溶剂蒸汽扩散处理（SVD-20）后，D18:L8-BO体系器件的光电转换效率（PCE）达到最优值20.18%；而在D18(1% PYIT):L8-BO-C4体系中，器件效率更是高达20.71%，跻身单结有机太阳能电池已报道的最高效率行列。

综合表征与机理研究结果表明，溶剂蒸汽扩散处理可使受体分子形成自上而下的预聚集梯度，并在固态薄膜中稳定构筑出多尺度分级结构。该形貌既能提供丰富的给体/受体（D/A）界面以保障激子高效解离，又能构建连续的电荷传输通路，同步优化激子分离与载流子收集效率；同时，还可精细调控给体/受体的垂直分布，将激子生成峰值区域（约57 nm）精准定位至活性层中部，有效缩短载流子传输距离。此外，SVD-20还能实现超快电荷生成，提升并平衡载流子迁移率，抑制复合损失；同时诱导结晶度提升，形成更致密、有序的分子堆叠结构，稳定电荷传输通路，缓解器件长期工作中的微观结构退化。优化后的受体垂直梯度分布还可调控界面态密度，避免复合累积，减少电极与活性层间的有害反应，显著提升器件工作稳定性。

值得注意的是，该溶剂蒸汽扩散策略具有极强的普适性，可适配多种材料体系与溶剂环境。除D18:L8-BO模型体系外，该策略还成功应用于BTP-C6、m-TEH、eC9-2F2Cl、L8-BO-C4等多种非富勒烯受体共混体系，同时兼容不同溶剂组合与给体材料，无需针对特定体系进行优化即可实现显著的性能提升。

尽管优势显著，该策略的应用仍受限于溶剂属性与工艺条件构成的实用窗口。该策略要求溶剂对具备完全互溶性：主体溶剂需对受体具有高溶解性且挥发性低于蒸汽溶剂，蒸汽溶剂则需对受体呈现适度低溶解性以实现可控预聚集；同时，溶液高度（需平衡扩散长度与聚集体尺寸）、精准控温等关键参数也需严格管控。在上述条件范围内，策略可对多种非富勒烯受体体系实现稳定性能提升；若超出此范围（如受体溶解度极低、溶剂间溶解度差异过小或热条件管控不当），调控效果会减弱，甚至形成过大聚集体导致器件性能退化。明确这些应用边界，可为策略的高效适用场景提供实用指导，也为其拓展至其他给体/受体及溶剂体系提供工艺优化依据。

基于上述明确的应用边界，溶剂蒸汽扩散策略可被针对性地用于利用梯度驱动的预聚集效应实现活性层多尺度微结构调控，同时规避削弱其优势的工艺条件。综上，本研究证实该策略是一种可靠且通用的有机太阳能电池多尺度微结构调控方法，为通过梯度驱动预聚集实现形貌调控提供了新思路，推动了高性能有机电子器件的发展。

文献信息

Solventvapordiffusion–drivenmultiscalepre-aggregationofnon-fullereneacceptorsenableshigh-performanceorganicsolarcells

WeilinZhou,XingjianDai,BenFan,HongxiangLi,XiaopengXu,YihuiWu&QiangPeng

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66199-5