利用鞣花酸模板诱导真空热蒸发薄膜原位生长研究及其在有机光伏中的应用

《Organic Electronics》：In situ growth studies of vacuum-thermally evaporated films using ellagic acid templating for organic photovoltaics

　　

有机太阳能电池（OSCs）中有机小分子（SM）层的微观结构通过影响光吸收、电荷传输和复合，对器件性能有重要影响。研究人员证明，天然衍生的模板层鞣花酸（EA）能在真空热蒸发（VTE）供体分子DCV5T-Me(3,3)中诱导显著的形态学和光电变化。通过在钻石光源专门建造的MINERVA VTE腔室内进行原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS），研究人员表明，5 nm的EA层能将DCV5T-Me从边缘取向重新定向为平面取向的分子堆积模式。这种模板效应在约90 nm的薄膜厚度内持续存在。 通过紫外-可见分光光度法和光致发光（PL）光谱，研究人员观察到供体分子的H-聚集趋势增强且光吸收降低。原子力显微镜（AFM）显示，供体的形态随其与供体模板界面的距离而发生变化。在DCV5T-Me(3,3):C60本体异质结器件中，尽管光吸收较低，EA层仍有助于保持供体的结晶度并提高短路电流（JSC）。器件的最大功率转换效率（PCE）是在使用5 nm模板层时实现的，该厚度既提供了足够的结够模板作用，又维持了用于高效电荷提取的部分界面接触。研究人员假设，JSC的提升可能是由取向改变、向H-聚集的转变以及生长模式的变化所带来的载流子动力学增强所驱动的。

本研究针对有机太阳能电池（OSCs）中真空热蒸发（VTE）小分子层微观结构调控手段有限的问题，选取高性能供体分子DCV5T-Me为研究对象，引入天然衍生物鞣花酸（EA）作为模板层，旨在通过界面相互作用调控分子的初始成核与生长模式。研究的核心在于探究EA模板如何诱导DCV5T-Me的分子取向转变、聚集态变化及其对后续本体异质结（BHJ）薄膜形貌和最终器件光电性能的深远影响，对于理解VTE系统下的薄膜生长机理及优化器件效率具有重要意义。

为实现上述研究目标，研究人员采用了多项关键技术方法。首先，利用钻石光源I07光束线上的MINERVA真空热蒸发腔室，进行了原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）测试，实时监测了DCV5T-Me在有无EA模板情况下的动态生长过程及分子取向演变。其次，结合紫外-可见分光光度法（UV-vis）和光致发光（PL）光谱分析了材料的光学特性与聚集态变化。此外，采用原子力显微镜（AFM）表征了薄膜的表面形貌，并利用环境光电子能谱（APS）检测了最高占据分子轨道（HOMO）能级的变化。最后，通过制备DCV5T-Me:C₆₀本体异质结太阳能电池器件，系统评估了不同厚度EA模板对器件电流密度-电压（J-V）特性及功率转换效率（PCE）的影响。

研究结果部分通过系统的实验数据揭示了EA模板的具体作用机制。关于EA对DCV5T-Me取向的影响，原位GIWAXS数据证实，5 nm EA层成功将DCV5T-Me的典型边缘取向转变为平面取向，且该模板效应在距离界面约90 nm的厚度范围内依然显著。在形貌与光学性质方面，AFM图像显示薄膜表面粗糙度随厚度增加而变化，而UV-vis和PL光谱则表明EA的引入促进了H-聚集的形成，同时伴随着光吸收的略微降低。在本体异质结稳定性研究中发现，通常在混合体系中会损失的供体结晶度，在加入5 nm EA模板后得以在42 nm厚的薄膜中保留，这有利于电荷的垂直传输。最终的器件性能测试结果显示，适量的EA模板（5 nm）能够在不严重牺牲光吸收的前提下，通过优化微观结构和电荷提取路径，有效提升器件的短路电流（J_SC）和整体PCE。

讨论部分对全文研究成果进行了凝练与升华。研究人员指出，EA作为一种有效的模板材料，能够通过π-π相互作用诱导DCV5T-Me发生从边缘取向到平面取向的根本性转变，这种取向调整显著优化了垂直于基底方向的电荷传输路径。更为重要的是，EA模板不仅改变了单一供体层的生长模式，还在DCV5T-Me与C₆₀形成的本体异质结中发挥了“结晶度保护”作用，抑制了共蒸镀过程中分子有序度的下降。这种微观结构的优化直接转化为器件性能的提升，特别是短路电流的增加。研究表明，在有机光伏设计中，通过界面工程策略精确调控给体材料的初始生长与堆积方式，是打破传统材料性能瓶颈、实现高效电荷生成与收集的关键途径。