20.46%效率！结晶动力学调控实现有机太阳能电池效率与稳定性双突破

当前，有机太阳能电池（organic solar cell, OSCs）在单结器件中已实现超过20%的光电转换效率，展现出广阔的应用前景。然而，如何在不牺牲光电流的前提下提升开路电压（VOC），同时改善器件的热稳定性和形貌稳定性，仍是制约其产业化的关键难题。

近日，来自广西大学、香港科技大学、香港理工大学和浦项科技大学等多家单位的研究团队，提出了一种全新的分子设计策略：通过不对称端基设计，开发出一种新型非富勒烯受体材料——BTP-FClO。该材料不仅具有高的LUMO能级和适度的自聚集倾向，更重要的是，它能够显著延缓活性层的结晶动力学，从而实现对共混膜形貌的精确调控。研究团队将BTP-FClO作为第三组分引入PM6:L8-BO体系中，原位紫外-可见吸收光谱显示，受体相的成核起始时间从132 ms显著延长至199 ms。这一动力学调控有效抑制了L8-BO的过度聚集，促进了更精细、更稳定的纤维状网络结构的形成。GIWAXS结果表明，三元共混膜的π-π堆积距离缩短至3.27 Å，晶体相干长度增大，且载流子传输更加平衡。

得益于上述形貌与能级的协同优化，基于PM6:L8-BO:BTP-FClO的三元器件的VOC提升至 0.916 V（二元器件为0.890 V）、JSC提高至 28.02 mA cm⁻²和FF达到79.72%最终PCE高达 20.46%（第三方认证效率 20.12%）。更为重要的是，该三元体系展现出卓越的热稳定性：在60°C连续热退火下，T80寿命从二元器件的72小时延长至448小时。这得益于BTP-ClO较高的玻璃化转变温度（Tg= 128 °C），显著提升了共混膜的形态刚性。此外，在连续LED光照下，器件经过1200小时后仍保持90%以上的初始效率。值得强调的是，该策略具有广泛的通用性。研究团队进一步将BTP-FClO引入PM6:Y6、PM6:BTP-eC9和PM6:L8-BO-X体系中，所有三元器件的VOC与PCE均获得显著提升，验证了BTP-FClO作为“结晶动力学调节剂”的普适性。本工作不仅为高效三元OSCs提供了新的材料设计范式，也为实现厚膜加工与大面积制备奠定了重要基础。

相关研究成果以“20.46% Efficient Organic Solar Cells with Concurrent Voltage Enhancement and Thermal Stability Enabled by Crystallization-Kinetics-Controlled Morphology”为题发表于能源领域顶级期刊Energy & Environmental Science。论文第一作者为广西大学博士研究生梁安海，共同第一作者为香港科技大学博士研究生李淳亮，共同通讯作者为广西大学阚志鹏教授、香港科技大学颜河教授及香港理工大学邹博森博士。此外，本研究得到了韩国浦项科技大学Kilwon Cho教授和Sein Chung博士的平台技术支持

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D6EE01250G

图1. (a) PM6、BTP-ClO与L8-BO的化学结构式；(b) 溶液与薄膜状态下的归一化紫外-可见吸收光谱；(c) 材料的能级排布图；(d) 材料的面外（OOP）GIWAXS线切图；(e) 不同受体在溶液向固态转变过程中的二维时间分辨原位吸收光谱。

图2.(a) 不同活性层在旋涂成膜过程中的二维时间分辨原位吸收光谱；(b) 不同延迟时间下材料的光激发动态响应谱；(c) 旋涂过程中各活性层特征峰位置的时间演化曲线。

图3.(a) 原子力显微镜；(b) 透射电子显微镜；(c) 二维GIWAXS衍射图；(d) 面内（IP）与(e) 面外（OOP）的GIWAXS线切图。

图4.(a) 二元与三元有机太阳能电池的J-V特性曲线；(b) PCE效率统计直方图；(c) 外量子效率（EQE）光谱；(d) 暗态下的J-V曲线；(e) 450 nm和(f) 730 nm激发下的光致发光光谱；(g) 态密度（DoS）分布；(h) Nyquist图；(i) Mott-Schottky曲线。

图5.(a)开路电压Voc与(b)短路电流密度Jsc随光强变化的关系；(c)本工作及文献报道器件的FF与Voc关系图；(d)深能级瞬态谱（DLTS）分析；(e)载流子浓度随延迟时间的变化；(f)瞬态光电流（TPC）与瞬态光电压（TPV）测试结果；(g)不同温度退火后薄膜UV-vis光谱偏移量；(h) 60°C氮气氛围下的热稳定性；(i)连续LED光照下的器件稳定性。

图6.(a) Y6、BTP-eC9、L8-BO-X的化学结构式；(b)三种体系二元与三元器件的J-V曲线；(c)对应的外量子效率（EQE）光谱。

综上所述，我们设计并合成了一种不对称端基非富勒烯受体BTP-FClO，通过引入甲氧基与减少卤化修饰，有效调控了端基偶极矩，弱化了分子内电荷转移效应，从而实现了吸收光谱蓝移、带隙增大以及LUMO能级的抬升。将BTP-FClO作为第三组分引入PM6:L8-BO体系后，其延缓的结晶动力学将受体相成核起始时间从132 ms延长至199 ms，显著抑制了L8-BO的过度聚集，形成了更紧密的π-π堆积（3.27 Å）和更优的纤维状相分离网络。因此，基于PM6:L8-BO:BTP-FClO的三元OSCs器件实现了20.46%的高效率（认证20.12%），同时开路电压（0.916 V）、短路电流密度（28.02 mA cm⁻²）和填充因子（79.72%）均得到同步提升。更重要的是，该器件展现出卓越的热稳定性（60°C下T80达到448小时）和光稳定性（1200小时后效率保持90%以上），并在多种Y系列受体体系中表现出良好的普适性。本研究强调了通过分子设计调控结晶动力学与端基偶极矩，是同步提升有机太阳能电池效率、电压与稳定性的有效策略，为高性能光伏材料的开发提供了新思路。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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