梯度加热溶解活性材料可提升有机太阳能电池的性能

《Organic Electronics》：Gradient Heating Dissolution of Active Materials Enhances the Performance of Organic Solar Cells

有机太阳能电池活性层通过梯度加热溶解法调控形貌，优化了相分离、分子堆叠密度和缺陷态，使器件功率转换效率提升至18.82%，同时增强电荷传输平衡与收集效率，抑制复合，并表现出优异的长期稳定性和热老化性能。

　　

李玉萌|吴继发|王新康|吴汉平|袁琳|郭银春|彭晓斌

发光材料与器件国家重点实验室，聚合物光电子材料与器件研究所，华南理工大学能源与信息聚合物材料广东省基础研究卓越中心，中国广州市五山路381号，510640

摘要

优化活性层的形态对于实现有机太阳能电池（OSCs）的高性能至关重要。然而，传统方法往往忽略了聚合物电子给体材料溶解过程中的动态调控，而这显著影响了活性层的纳米结构。在这项研究中，我们引入了一种梯度加热溶解方法，通过编程温度梯度来调控D18:L8-BO活性层的溶解行为，从而实现活性材料的阶段性溶解控制。结果表明，采用梯度加热方法制备的活性层具有优化的相分离、更紧密的分子堆叠以及更少的缺陷状态。因此，基于梯度加热方法制备的器件获得了18.82%的优化光电转换效率（PCE），优于传统直接加热方法获得的17.65%的PCE。短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）也有所提高，这归因于更平衡的电荷传输、更高的电荷收集效率以及抑制的电荷复合。此外，基于梯度加热方法的器件表现出更好的稳定性，在室温下1500小时后仍保持超过90%的原始PCE，在80°C下热老化200小时后仍保持90%的效率。本工作强调了聚合物活性材料溶解对聚合物基薄膜形态控制的重要性，并提供了一种简便且通用的策略来提升OSCs的性能。

章节摘录

引言

有机太阳能电池（OSCs）因其固有的机械灵活性、可溶液处理制造工艺和大面积生产能力而受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。特别是非富勒烯受体（NFAs）的突破性发展推动了重大进展，单结OSCs的光电转换效率（PCE）已超过20%[16]、[17]、[18]

结果与讨论

D18和L8-BO活性材料（其化学结构见图S1）以1:1.2的重量比混合，总浓度为12 mg/mL，通过直接加热或梯度加热方法溶解在氯仿（CF）中。如图1所示，对于直接加热方法，活性材料在密封瓶中加入1,4-二碘苯（DIB）添加剂后，在100°C下加热2小时溶解于CF中。对于梯度加热方法，活性材料同样溶解在12 mg/mL的CF中

结论

在这项工作中，我们创新性地开发并验证了一种梯度加热溶解方法，通过编程温度梯度来调控活性材料的溶解并优化OSCs活性层的形态。系统表征（包括UV-vis光谱、AFM-IR和GIWAXS）证实，由于混合更加均匀，活性层实现了更合适的相分离以及更密集和有序的分子排列

作者贡献声明

李玉萌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，研究，数据分析，概念化。彭晓斌：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。郭银春：验证，研究。吴汉平：方法学，数据分析。袁琳：验证，数据管理。王新康：资源协调，数据管理。吴继发：验证，资源协调，概念化

注释

作者声明没有竞争性财务利益。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52173162、51861145301）、国家重点研发计划（2017YFA0206602）和广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515011846）的财政支持。