论文概览
有机太阳能电池（OSCs）凭借柔性、溶液可加工等优势成为光伏领域的研究热点，但供体自组装薄弱、受体过度聚集导致的高陷阱密度，长期制约其功率转换效率（PCE）和稳定性提升。针对这一问题，常州大学朱卫国课题组提出了一种基于挥发性固体添加剂1,3-二溴-5-碘苯（DBI）的双相协同调控策略。通过系统性的粗粒度分子动力学模拟、原位同步光谱与光电表征，揭示DBI可选择性结合PM6给体中的氟化苯并二噻吩单元，增强链间相互作用并诱导其在溶液中预聚集，进而抑制Y6受体的过度聚集，实现优化的相分离形貌与显著降低的陷阱密度。在PM6:Y6体系中，DBI处理将器件效率从17.0%提升至18.4%；在三元体系PM6:L8-BO:L8-BO-F中，进一步实现冠军效率20.6%并显著提升光照稳定性（T80 = 769 h）。该研究以“Dual-Phase Regulation via a Volatile Morphology DirectorEnables Trap-Suppressed Organic Solar Cells with 20.6%Efficiency”为题发表在顶级期刊Advanced Materials上。
技术亮点
1. 双相协同调控，打破单一相调控局限：DBI通过卤键、偶极-偶极和π–π作用同时优化给体与受体相，突破传统仅调控受体的局限。
2.挥发性与无残留：DBI可在110°C下完全挥发，避免溶剂添加剂常见的残留问题，提升器件长期稳定性。
3. 多重表征验证机制，精准解析构效关系：整合CG-MD模拟、原位GIWAXS/PL/LS、IR-AFM 等技术，实时捕捉薄膜形成过程中分子堆积与相分离演变，明确DBI与PM6的选择性结合（结合能 18.90 kcal/mol）是形态优化的核心驱动力。
4. 普适性强，效率稳定性双突破：该策略在二元（PM6:Y6）、三元（PM6:L8-BO:L8-BO-F）及全聚合物（PM6:PY-IT）体系中均有效，三元体系PCE突破20.6%，热稳定性和光稳定性同步提升，为产业化应用奠定基础。
研究意义
✅形貌调控新范式：提出“挥发性固体添加剂”作为形态导向剂，为高效有机光伏器件的形貌工程提供新思路。
✅简陷阱态抑制机制明晰：通过双相调控降低能量无序度与缺陷态密度，为理解非辐射复合损失提供实验与理论依据。
✅高效与稳定兼得：在PM6:L8-BO:L8-BO-F三元体系中同时实现>20%效率与显著提升的光照稳定性，推动OSC向产业化迈进。
✅方法普适性强：策略在PM6:PY-IT全聚合物体系中也表现一致提升，展示其跨体系适用性。
深度精读
图1DBI与给体/受体的选择性相互作用
图1系统揭示了挥发性固体添加剂DBI在PM6:Y6体系中的选择性相互作用机制与聚集调控作用。首先通过化学结构与结合能计算表明DBI对PM6中氟化BDT单元具有更强的结合亲和力。径向分布函数与FT-IR光谱进一步证实了DBI优先与PM6的给体骨架发生非共价相互作用。时间演化分析显示适量DBI可促进PM6预聚集并同时抑制Y6的过度聚集。最终，CG-MD模拟的空间分布图直观展示了DBI诱导形成的理想双连续互穿网络形貌，为后续器件性能提升奠定了结构基础。
图2薄膜形成的原位GIWAXS分析
通过原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）实时监测了不同DBI浓度下PM6:Y6共混薄膜在旋涂成膜过程中的结构演化。结果显示，适量DBI（5和15 mg mL⁻¹）的加入显著增强了薄膜的结晶有序性，表现为面外（010）π-π堆积峰的散射强度与相干长度同步增加，表明分子堆积更为紧密。而过量DBI（30 mg mL⁻¹）则导致衍射信号弥散、强度减弱，表明其强烈的自聚集行为破坏了初始分子排列，诱导形成无序的非晶态结构。
图3退火过程的原位GIWAXS分析
原位GIWAXS结果显示,适量DBI（15 mg mL⁻¹）处理后，薄膜在退火过程中形成更尖锐的（010）π-π堆积峰，对应更短的分子堆叠距离（3.664 Å），表明DBI挥发促进了高度有序的给体纤维网络形成。而过量DBI（30 mg mL⁻¹）则导致分子堆叠距离增大、有序性丧失。IR-AFM形貌图直观证实，适量DBI诱导形成了清晰、互穿的双连续相分离结构，而过量添加剂则导致相边界模糊、形成孤立域。
图4不同DBI浓度下活性层形貌的演变过程
在无添加剂（0 mg mL⁻¹）时，Y6的过度聚集与PM6的弱结晶导致相分离过大，形成大量缺陷。加入适量DBI（5-15 mg mL⁻¹）后，溶液中的DBI优先诱导PM6预聚集，在成膜初期构建出连续的给体纤维网络，该网络作为模板有效限制了Y6的聚集尺寸，最终经热退火形成具有理想互穿结构的双连续相分离形貌。然而，当过量的DBI（30 mg mL⁻¹）加入后，其自身的强烈自聚集在成膜过程中便破坏了给受体分子的有序堆积，导致退火后的薄膜呈现相边界模糊、结构无序的状态。该图清晰地揭示了DBI浓度通过分步调控溶液聚集与薄膜固化动力学，最终决定活性层纳米结构的完整路径。
图5陷阱态与载流子动力学
图a的态密度（DOS）分析表明，15 mg mL⁻¹ DBI处理将陷阱密度最低降至6.75×10¹⁵ cm⁻³，同时能量无序度（δ）最小，证实其优化形貌可有效抑制缺陷态。Photo-CELIV结果显示，在此浓度下载流子生成量提升，而双分子复合系数（β）降至最低1.29×10⁻¹² cm³ s⁻¹，表明非辐射复合被显著抑制。TPV/TPC测试（d-f）进一步证实，最优器件具有最长的载流子寿命（1.92 μs）和最短的提取时间，体现了平衡且高效的电荷传输。
图6器件性能与稳定性
器件采用常规结构，在PM6:Y6二元体系中，适量DBI（15 mg mL⁻¹）将效率从17.0%提升至18.4%，主要源于Jsc和FF的协同改善。该策略具有普适性，在PM6:L8-BO体系中也实现了20.0%的效率。进一步应用于PM6:L8-BO:L8-BO-F三元体系，DBI处理将冠军效率显著提升至20.6%（Voc=0.91 V, Jsc=27.5 mA cm⁻², FF=82.4%），且外量子效率（EQE）在450-800 nm范围内均超过80%。更重要的是，DBI优化器件展现出卓越的操作稳定性，在持续光照下T80寿命达到769小时，远超对照器件的382小时，实现了高效率与高稳定性的统一。
文献来源
Xin Song, Tongrui Zhang, Weiguo Zhu*, et al. Dual-Phase Regulation via a Volatile Morphology DirectorEnables Trap-Suppressed Organic Solar Cells with 20.6%Efficiency. Adv. Mater. 2025, e20162.
https://doi.org/10.1002/adma.202520162.
仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202512/18/50014964.html
