PCE达21%OSCs磷酸酯改性受体添加剂协同步优化垂直形貌与界面工程

主要内容

基于非富勒烯受体（NFAs）的有机太阳能电池（OSCs）已取得快速发展，但受体-阴极界面的垂直形貌调控与能级匹配难题相互制约，导致电池性能的进一步提升遭遇瓶颈。为此，四川大学彭强、徐小鹏等人提出一种分子工程策略，通过在标杆性非富勒烯受体材料L8-BO的烷基侧链内侧引入强极性磷酸酯基团，成功合成出两种衍生物——1POE（单磷酸酯基团修饰）与2POE（双磷酸酯基团修饰），并将二者作为非挥发性固体添加剂，应用于基于逐层（LBL）成膜工艺、以L8-BO为受体的有机太阳能电池中。

彭强、徐小鹏团队通过系统研究，明确了这类添加剂从分子层面到器件性能的完整作用机制：

其一，磷酸酯侧链间存在强偶极相互作用，加之其自身表面能相对较高且与L8-BO的相容性有限，成膜过程中添加剂会自发向活性层表面富集，促使活性层形成“给体-受体-添加剂”垂直梯度结构，既优化了活性层内部隐藏的给体/受体（D/A）界面，又构建出富添加剂的受体/阴极界面层。

其二，1POE与2POE的引入可显著降低活性层的有效功函数，这与界面偶极矩由活性层本体指向电子传输层/阴极的取向特征一致；这种偶极矩引发的真空能级偏移，能有效平滑从本体受体到电子传输层/阴极的能级梯度，降低电子提取势垒并抑制界面电荷复合。

其三，磷酸酯基团的取代修饰会以侧链依赖性方式调控分子堆积与相分离行为：1POE的单个磷酸酯侧链在引入轻微空间位阻的前提下，可显著增强分子间偶极-偶极相互作用，促进π-π堆叠与结晶性提升，实现更理想的精细相分离；而2POE的两个大体积磷酸酯侧链会产生更强的空间位阻效应，部分抵消偶极有序排列作用，导致分子堆积各向同性更高、相分离尺度更粗。这种偶极相互作用与空间位阻的可调节平衡，为纳米尺度形貌调控提供了有效途径，进而优化电荷传输与复合的权衡关系。

上述协同作用——包括表面能驱动的添加剂垂直富集、伴随功函数调控的界面偶极工程，以及侧链结构主导的结晶性与相形貌调控——共同实现了陷阱辅助复合的高效抑制、电荷迁移率与提取效率的显著提升，同时大幅改善了器件稳定性。实验结果表明，添加2wt.%1POE或2POE的D18-Cl/L8-BO基准体系器件，光电转换效率（PCE）分别达到19.87%和19.28%，显著高于对照组的18.83%，且双分子复合与陷阱辅助复合效应均得到有效减弱。

该策略还展现出优异的普适性，在PM6/L8-BO、D18/L8-BO二元体系及D18/L8-BO:BTP-eC9FCl三元体系中均能发挥作用，其中三元体系器件的最优光电转换效率高达20.90%。综上，彭强、徐小鹏等人的研究证实，对非富勒烯受体衍生的固体添加剂进行极性侧链工程修饰，可构建一套简便通用的调控平台，实现活性层垂直相分布、界面能级结构与活性层有序性的同步优化，为下一代高效率、高稳定性有机光伏器件的研发，提供了一条切实可行的、以界面为核心的技术路径。

文献信息

PhosphateEster-ModifiedAcceptorAdditivesEnableConcurrentVerticalMorphologyandInterfacialEngineeringforOrganicSolarCellsApproaching21%Efficiency

JiahaoZhang,YuChen,WeilinZhou,XingjianDai,BenFan,YutaoLu,XiaopengXu,YihuiWu,QiangPeng

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519367