黄辉团队：固体添加剂在有机太阳能电池中的研究进展

主要内容

形貌是决定有机太阳能电池（OSCs）光伏性能的关键因素，因其可通过调控活性层内的纳米尺度相分离与分子堆积行为，进而主导电荷的产生、分离与传输过程。在已开发的各类形貌调控策略中，固体添加剂（SAs）凭借独特优势成为极具前景的技术路径。该方法不仅成本低廉、易于掺入，且无需复杂的合成改性即可实现对活性层形貌的精准调控。固体添加剂能够诱导形成理想的纳米尺度相分离结构，助力有序畴区的构建，从而优化电荷传输路径、降低电荷复合损耗。近年来的研究进展表明，固体添加剂工程在推动 OSCs 走向规模化商业应用方面具有巨大潜力。中国科学院大学黄辉、蔡芸皓等人综述了固体添加剂领域的最新研究进展，重点阐述其在调控成膜动力学与优化活性层形貌中的作用机制。

然而，尽管过去几年间，在开发适用于 OSCs 的有机小分子非挥发性固体添加剂方面已取得显著进展，但标准化设计与评估标准的缺失，仍持续为科研工作者带来挑战。从材料视角来看，已报道的多数非挥发性固体添加剂仅展现出有限的效率提升能力，这表明其应用潜力尚未被充分挖掘。采用固体添加剂制备 OSCs 的核心障碍之一，在于对添加剂与活性层组分间分子相互作用机制的认知不足。由于作用机理尚不明确，预测和调控固体添加剂对活性层形貌、结晶度及相分离行为的影响，依旧是一项难题。固体添加剂需与太阳能电池中所用的多种光敏材料具备相容性，一旦相容性不足，便会引发相分离、成膜质量劣化等问题，最终导致器件性能下降。因此，开发适用于各类 OSCs 体系的通用型固体添加剂，是一项亟待推进的重要任务。

此外，残留在活性层中的固体添加剂可能会对器件的稳定性与性能产生不利影响。计算材料学与数据科学的最新进展，为高性能有机半导体材料的研发提供了新的思路，有望实现对光伏参数与器件稳定性的精准预测。基于此，可借助机器学习技术预测并建立固体添加剂结构与器件性能之间的关联，这一方法或将大幅缩短研发周期。尽管实验室尺度的研究已显现出良好潜力，但将固体添加剂的应用拓展至工业化生产阶段，仍面临诸多挑战。特别是对于大面积 OSCs 而言，需要借助先进工艺来保障固体添加剂的均匀分布，进而实现器件的高性能输出。与此同时，高纯度固体添加剂的制备成本偏高，要推动固体添加剂在 OSCs 领域的广泛应用，还需开发低成本的合成工艺。

综上，固体添加剂在提升 OSCs 性能与稳定性方面展现出巨大潜力，但要实现其实际应用与商业化价值，攻克当前存在的诸多局限性至关重要。未来需重点开展以下几方面研究工作：

（1）阐明固体添加剂作用的内在机理；

（2）优化固体添加剂调控相关的工艺参数；

（3）开发环境友好型绿色添加剂，降低其对生态环境的影响；

（4）验证固体添加剂在 OSCs 中应用的经济可行性与环境可持续性。

文献信息

RecentProgressofSolidAdditivesinOrganicSolarCells

MisbahSeharAbbasi,RabiaSultana,YunhaoCai,HuiHuang

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/polymscitech.5c00108