近期，北京理工大學化學與化工學院碩士研究生毛鵬在材料類國際頂級期刊《 Materials Science and Engineering: R: Reports 》(IF: 31.6)上發表題目為“In-situ volatilization of solid additive assists as-cast organic solar cells with over 20?% efficiency”的研究論文。北京理工大學為唯一通訊單位，安橋石特別研究員和王金亮教授為共同通訊作者。
溶液處理的有機太陽能電池(OSCs)以其色彩豐富、半透明、柔性、低成本等獨特的優勢，在構建集成光電子器件和柔性電子設備方面展現出巨大的應用前景。隨著有機半導體和器件工程的不斷創新，單結OSCs的功率轉換效率(PCE)已達到20%以上，達到了工業化應用的門檻。然而，高性能的OSCs通常依賴于復雜的前處理及后處理技術優化活性層形貌，顯著增加了器件的生產成本。此外，復雜的工藝通常會導致器件穩定性、可重復性和與大規模生產兼容性方面的系列問題。因此，開發加工工藝簡單，高效的OSCs具有重要意義。鑄態OSCs因活性層制備無需附加任何優化工藝，其無疑是降低器件加工成本最有效的方案。此外，鑄態器件中材料與器件的構效關系更為直接，有利于推動有機光伏材料的發展。受啟發于高揮發性固體添加劑，如果活性層在制備過程中，添加劑能夠完全揮發，而無需熱退火處理，則器件可視為多組分的鑄態OSCs。在這項工作中，該團隊將高揮發性固體添加劑DBDF引入不同體系制備了系列器件(圖1)，并對其構效關系進行了系統研究。
圖1.材料特性及固體添加劑DBDF原位揮發性質研究。
成膜動力學與形貌研究證明表明，在無需額外前/后處理工藝的條件下，DBDF在旋涂過程中能夠完全原位揮發(圖2)，進而誘導活性層形成更優的分子堆積和給受體垂直相分離結構，從而促進器件中電荷的高效生成與提取。此外，有序的分子堆積使給體和受體的吸收光譜發生紅移，有利于捕獲更多光子，進一步增強了電荷生成效率。以經典PM6:Y6為活性層，基于DBDF的OSCs無需額外工藝優化即實現了18.1%的優異PCE，且展現出優異的穩定性，顯著優于對比器件。此外，在D18:N3:Y6-1O體系中引入DBDF后，鑄態器件獲得了20.2%的PCE，其性能媲美文獻中基于各種復雜工藝的器件。值得注意的是，后續熱退火處理因增加電壓損失而對性能提升作用甚微。這項工作提出了一種簡化器件制備工藝的巧妙策略，為推動低成本商業化生產OSCs的發展提供了新思路。
圖2. 活性層成膜動力學研究。
本研究得到了中央高校基本科研業務費的資助及北京理工大學分析測試中心的支持。
