通过固态添加剂抑制电子-声子耦合实现高性能有机太阳能电池

《Aggregate》：Suppressing Electron–Phonon Coupling via Solid Additives for High-Performance Organic Solar Cells

本研究发现，通过引入1-氯-3-溴萘（BCN-2）固态添加剂可有效抑制有机光伏材料中的电子-声子耦合，显著延长激子寿命并提升电荷迁移率，使PM6:L8-BO基有机太阳能电池（OSCs）获得19.72%的优异光电转换效率（PCE）。该策略通过增强分子有序性和结构刚性，为调控有机半导体中电子-声子相互作用提供了新思路。

　　

1 引言

有机太阳能电池（OSCs）因其成本低、柔性好、可溶液加工等优势成为光伏领域的研究热点。近年来，非富勒烯受体（NFAs）的发展将单结OSCs的光电转换效率（PCE）推升至20%以上。然而，有机半导体中强烈的电子-声子耦合会导致非辐射复合，限制激子扩散和电荷传输，成为提升器件性能的主要瓶颈。在体异质结（BHJ）活性层中，激子需迁移至给体-受体界面解离，其扩散长度（L_D）受激子寿命（τ）和扩散系数（D）制约。强电子-声子耦合会引发声子散射，加速激子复合，降低器件效率。因此，抑制电子-声子耦合是提升OSCs性能的关键策略。

2 结果与讨论

2.1 密度泛函理论计算

研究选取两种异构体固态添加剂（SAs）BCN-1和BCN-2，通过静电势（ESP）分析发现BCN-2具有更高的负表面面积，与受体L8-BO产生更强的库仑相互作用。原子电荷分析显示BCN-2中H-Cl静电作用力（-2.94 kcal mol^-1）显著强于BCN-1的H-Br（-1.20 kcal mol^-1），促进分子平面性和刚性。分子动力学（MD）模拟表明BCN-2体系具有更高密度、更小自由体积，给受体接触距离缩短至0.3 nm，表明分子排列更有序。

2.2 光学性质与挥发性测试

紫外-可见吸收光谱显示添加剂提升薄膜吸收系数。热重分析（TGA）证实BCN-2在100°C可完全挥发，傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证其完全去除。

2.3 器件性能表征

基于PM6:L8-BO的OSCs器件中，BCN-2处理器件获得最高PCE（19.72%），短路电流密度（J_sc）达27.93 mA cm^-2，填充因子（FF）为80.42%。光强依赖测试显示BCN-2器件双分子重组系数α接近1（0.998），陷阱辅助重组斜率降至1.19 kT/q。瞬态光电流（TPC）和瞬态光电压（TPV）测试表明BCN-2器件电荷提取时间缩短至0.46 μs，载流子寿命延长至0.42 μs。空间电荷限制电流（SCLC）测得空穴/电子迁移率提升至7.71×10^-4/6.78×10^-4cm²V^-1s^-1，载流子传输更平衡。

2.4 电子-声子耦合特性

拉曼光谱显示BCN-2处理薄膜在1425 cm^-1处峰形变锐，分子有序性增强。变温荧光光谱（PL）拟合电子-声子耦合强度γ_LO从对照组0.87 eV降至0.51 eV，结构无序度Γ₀从118 meV降至64 meV。瞬态荧光（TRPL）测试显示BCN-2器件激子寿命延长至117 ps。

2.5 形貌表征

原子力显微镜（AFM）和透射电镜（TEM）显示BCN-2处理薄膜形成明显纤维状结构。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）表明BCN-2提升薄膜结晶性，π-π堆积相干长度增至25.15 ?，层状堆积相干长度达112.14 ?。接触角测试表明BCN-2降低给受体界面能至0.79 mN m^-1，改善界面相容性。

2.6 电荷载流子动力学

飞秒瞬态吸收光谱（TAS）显示BCN-2将电荷分离态（CS）寿命延长至198.5 ns，空穴注入量子效率达97.5%，表明其有效抑制电荷复合。

2.7 策略普适性验证

在PM6:Y6、PM6:H8和D18:L8-BO体系中，BCN-2均显著提升PCE（最高至19.95%），FF普遍提高，证明该策略具有广泛适用性。

2.8 稳定性

BCN-2器件在65°C热稳定性测试中T₈₀寿命达89 h，光照稳定性T₈₀为196 h，均优于对照组。

3 结论

BCN-2固态添加剂通过抑制电子-声子耦合，增强分子有序性和结构刚性，显著提升激子扩散和电荷传输性能，为高效稳定OSCs的开发提供了新途径。