通过逐步聚集供体分子和促进受体纤维化过程，双层有机太阳能电池的效率提高了20%；这一机制有效地减少了陷阱态的形成，并平衡了电荷的迁移能力

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Stepwise donor aggregation and acceptor fibrillization achieve 20% efficiency in bilayer organic solar cells by reducing trap states and balancing charge mobility

基于双异质结结构，通过分子级形态工程优化给体和受体层，采用PTO2和EDOT调控PM6层排列，降低陷阱密度至2.69×101? cm?3，提升激子分离效率；同时用o-BTP-eC9优化L8-BO层，形成更致密的纤维结构，使电子迁移率提高至0.92×10?3 cm2/Vs。器件在优化后实现20.18%认证效率，Voc达0.897 V，Jsc为28.36 mA/cm2，填充分配因子提升至79.27%。

　　

谭丽星|赵振民|张敬荣|李洪香|张敏|赵静静|刘园|白亮|贾涛|康志鹏

中国广西大学物理科学与技术学院碳达峰与中和科学技术研究所纳米能源研究中心，南宁530004

摘要

有机太阳能电池中的大量陷阱会导致严重的电荷复合，从而限制了其性能。然而，这些陷阱是体异质结固有的，阻碍了电池的效率和稳定性。在这项研究中，我们提出了一种双层结构，可以独立调节供体和受体的分子排列，以减轻复合现象。我们选择了具有宽吸收范围且与PM6结构相似的聚合物供体PTO2，以及具有优异电导率的3,4-乙二氧噻吩，来增强PM6的性能。这种组合调节了PM6的聚集行为，提高了层的结晶度和空穴迁移率。此外，引入了具有互补吸收特性的受体o-BTP-eC9，使其最高占据分子轨道能级更低，优化了L8-BO的纤维结构，产生了更窄但更长的纤维，从而促进了电子传输。双层器件的功率转换效率达到了20.18%（认证值为19.78%），同时填充因子也得到了提升。我们的发现突显了在分子层面进行形态工程以提升双层有机太阳能电池性能的潜力。

引言

由于在材料开发和器件工程方面付出了巨大努力，有机太阳能电池（OSCs）的功率转换效率（PCE）已经达到了20% [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。尽管取得了这些进展，但高陷阱密度仍然是一个重大挑战，因为它们会降低载流子迁移率并加剧非辐射复合，限制了PCE的进一步提高，并影响OSCs的运行稳定性 [8], [9], [10]。然而，体异质结（BHJ）活性层具有复杂的形态，难以获得纯的供体和受体相，通常会导致更高的陷阱密度和不平衡的电荷传输，进一步减少陷阱态仍然是一个挑战 [11], [12]。相比之下，双层OSCs提供了一种独特的活性层结构和不同的能量传输机制 [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]。随着PCE现在已超过19%，这些优势为解决上述问题提供了坚实的基础 [21], [22], [23], [24]。双层OSCs能够独立优化供体和受体层中的陷阱密度和载流子迁移率，为实现更高性能的双层OSCs提供了实用途径 [25], [26], [27]。

降低OSCs中的陷阱密度和平衡载流子传输通常通过引入第三组分、调整活性层材料的侧链以及使用添加剂工程等方法来实现 [28], [29], [30], [31], [32]。例如，在二元体系中引入宽禁带和吸收互补的聚合物供体（PBBTz-Cl）可以增强活性层的吸收和结晶度，从而促进电荷传输并降低陷阱密度，进而提高填充因子（FF）和短路电流（J_SC） [33]。引入客体聚合物供体，如具有类似化学结构和更高平面性的D18-Cl，或具有多晶状态的预聚集PM6，可以促进纤维网络的形成 [34], [35], [36]。这种结构增强了电荷传输，提高了J_SC和FF。将受体PY-IT引入受体层BTP-eC9中可以调节其预聚集行为，形成内在的互穿网络。这种优越的结构改善了空穴传输动力学，平衡了电荷传输，减轻了陷阱态和能量损失，并同时提高了开路电压（V_OC）、J_SC和FF [37]。形成纤维的A-D-A型非富勒烯受体IDMIC-4通过其有序结构细化了活性层形态，同时作为高效的电子传输通道，从而提高了电子迁移率和PCE [38]。修改D18-Cl的侧链以改变供体堆叠方式，可以促进更有序的分子排列，增强激子解离，降低陷阱密度，最终提高器件的FF和PCE [39]。将1,5-二碘环辛烷（DICO）、4-(1,3-二甲基-2,3-二氢-1H-苯并咪唑-2基)-N,N-二甲基苯胺（N-DMBI）、苯甲酸酐（BA）、1,3,5-三溴苯（TBB）、PC₇₁BM和1-氟萘（FN）等添加剂引入活性层，可以诱导更有序的分子排列和更大的畴尺寸，以及形成密集堆积的结晶纤维，有效优化了供体和受体的微观结构，减少了陷阱辅助的复合，改善了电荷传输，最终提高了器件的PCE [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46]。然而，这些方法通常是独立应用的，这对进一步优化和集成体异质结OSCs提出了挑战。尽管具有潜力，但在双层OSCs中同时精细调节供体和受体层及其对器件性能的影响仍很大程度上未被探索。

在这项研究中，我们使用双层OSCs来研究多种优化策略对陷阱密度和电荷传输特性的影响。以PM6/L8-BO系统为模型，我们选择了PTO2来补充PM6的吸收并具有相似的结构特征，同时选择了以优异电导率著称的EDOT来增强PM6的性能。此外，选择了o-BTP-eC9（记为o-eC9），其吸收峰与L8-BO互补，最高占据分子轨道（HOMO）能级更低，以优化L8-BO的性能。单供体器件显示，EDOT显著影响了PM6的聚集行为和粗糙度，将其陷阱密度从4.83 × 10¹⁶ cm^-3（PM6）降低到3.74 × 10¹⁶ cm^-3（PM6:EDOT），从而使双层OSCs的FF从76.05%提高到78.57%。经过EDOT和PTO2处理后，PM6的结晶相干长度（CCL）从25.7 ?提高到28.2 ?，陷阱密度从3.25 × 10¹⁶ cm^-3降低到2.69 × 10¹⁶ cm^-3，空穴迁移率从0.67 × 10^-3 cm² V^-1 s^-1提高到0.90 × 10^-3 cm² V^-1 s^-1。同时，o-eC9处理改变了L8-BO薄膜的纤维形态，提高了电子迁移率，从0.88 × 10^-3 cm² V^-1 s^-1提高到0.92 × 10^-3 cm² V^-1 s^-1，实现了电荷传输的平衡。这种逐步的形态调节使PCE达到了20.18%，开路电压（V_OC为0.897 V，短路电流（J_SC为28.36 mA/cm2，FF为79.27%。这些发现表明，逐步调节供体和受体层可以有效降低陷阱密度并平衡电荷传输，为高效双层OSCs的发展铺平了道路。

结果与讨论

在这项工作中，我们使用PM6和L8-BO作为双层OSCs的模型供体-受体系统，它们的分子结构分别如图1a所示。为便于理解，我们将活性层结构称为“双层”配置。虽然供体和受体层是依次沉积形成不同相的，但我们认识到界面可能存在轻微的混合，这可能受到底层表面形态或处理等因素的影响。

结论

总结来说，通过逐步优化策略，使用PTO2调节供体层PM6，并使用o-eC9调节受体层L8-BO，我们能够改变陷阱密度和电荷传输，从而显著提高了FF，以及V_OC和J_SC，最终实现了双层OSCs的最佳PCE为20.18%。PTO2主要增强了PM6的J_SC，而EDOT显著降低了其陷阱密度，从而显著提高了FF。

作者贡献

L.T. 设计了实验，制备了器件并进行了测量。Z.Z. 和 J.Z. 分析了数据。M.Z. 进行了紫外光电子能谱测量。H.L. 进行了GIWAXS测量。J.Z. 进行了深度瞬态光谱测量。J.Z. 进行了原子力显微镜测量。L.B. 进行了原位吸收光谱测量。T.J. 设计了实验。Z.K. 构想了指导实验和项目的概念。

作者贡献声明

康志鹏：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、资金获取。贾涛：数据管理。张敬荣：方法论、研究。李洪香：数据管理。谭丽星：撰写——初稿、方法论、研究。赵振民：方法论。刘园：数据管理。白亮：数据管理。张敏：数据管理。赵静静：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号62275057）和广西自然科学基金（编号2023GXNSFFA026004）的财政支持。这项工作还得到了广西人才计划（“创新人才高地”）的支持。

康志鹏目前是广西大学的教授。他于2015年在意大利米兰的米兰理工大学获得博士学位。2015年至2018年，他在沙特阿拉伯Thuwal的KAUST太阳能中心担任Frederic Laquai教授的博士后研究员。在加入广西大学之前，他在中国科学院重庆绿色智能技术研究院担任教授。他的当前研究兴趣包括溶液的光电特性分析。