有机太阳能电池（OSCs）因其柔韧、轻便和低成本等特性，被视为有潜力的第三代光伏技术。近十年来，材料设计和器件工程的创新使OSC的功率转换效率（PCE）超过20%。形貌调控在OSC中至关重要，因为它影响电荷生成、提取和收集。优化的活性层形态有助于电子和空穴的有效传输，减少复合，提升器件效率。溶剂添加剂如DIO和CN通常被用于形貌优化，但可能残留杂质损害效率和稳定性，且成本高。挥发性固体添加剂（VSAs）作为替代方法被开发。固体添加剂通过增强分子堆积和提高有序性，进一步改善电荷传输性能。

近日，课题组在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Achieving 20% Efficiency in Organic Solar Cells Through Conformationally Locked Solid Additives”的研究论文。该文章利用构象锁策略，设计并合成含有构象锁的固体添加剂，实现20.01%的光电转换效率。

图1. 含构象锁固体添加剂

图2. 固体添加剂处理实现高性能有机太阳能电池

要点一：添加剂HBT-2性质分析

通过生长HBT-2单晶，利用单晶X射线衍射分析以及自然键轨道（NBO）分析证明了HBT-2分子内S∙∙∙F构象锁的存在。并通过热重分析（TGA）和傅里叶变换红外（FTIR）光谱测量，证明HBT-1和HBT-2分子具有良好的挥发性，可以从活性层薄膜中完全挥发无残留，有助于提高器件的长期稳定性。

要点二：器件性能

没有添加任何添加剂的器件（Device I）的开路电压（V_oc）为0.934 V，短路电流密度（J_sc）为26.57 mA cm^-2，填充因子（FF）为71.83%，从而获得相对较低的光电转换效率（PCE）为17.83%。使用HBT-1处理的器件（Device II）的PCE为18.76%，J_sc为26.48 mA cm^-2，V_oc为0.916 V，FF为77.42%。经过HBT-2处理的器件（Device III）实现了显著更高的J_sc （27.41 mA cm^-2）和FF（80.23%），从而获得了较高的PCE为20.01%。以上结果表明HBT-2在优化活性层形态和提高器件性能方面具有显著效果。HBT-2不仅在D18:L8-BO:PY-C11体系中表现出色，还被证明在其他多个体系中有效，如PM6:Y6, PM6:L8-BO, D18:L8-BO和D18:DPA-4，这表明HBT-2具有良好的普适性。

要点三：形貌研究

利用原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）分析。AFM结果表明未经处理的D18:L8-BO:PY-C11混合膜以及经过HBT-1和HBT-2处理的混合膜的表面粗糙度（R_q）分别为0.874 nm、0.815 nm和0.937 nm。HBT-2处理的混合膜具有更高的R_q值，表明在给体和受体域之间有更有利于电荷传输和提取的相分离程度。TEM结果表明，经过HBT-1和HBT-2处理的混合膜显示出更明显的纤维状结构，这被认为有利于激子的解离。

掠入射广角X射线散射（GIWAXS）技术表明经HBT-2处理后，D18薄膜的层状和π–π堆积峰的强度增加，晶体相干长度（CCL）也有所增加，表明HBT-2促进了D 18的更有序排列。类似地，L8-BO:PY-C11薄膜在经过HBT-2处理后，其（100）和（010）衍射峰在IP和OOP方向上均显示出显著增强，表明HBT-2能够更有效地改善给体和受体材料的分子堆积和结晶度。

测试薄膜深度相关吸收光谱（FLAS）观察到HBT-2处理的薄膜在整个深度剖面上保持了吸收峰的一致性，这提高了光吸收效率，提高了载流子生成率的稳定性，并有效减少了电荷复合，从而显著提高了填充因子（FF）和短路电流（J_sc）。

综上所述，形貌表征分析表明，HBT-2处理的OSCs活性层具有更有序的分子堆积和更高的结晶度，这有助于提高电荷传输效率和减少电荷复合，从而提升了器件的光电转换效率。

要点四：前瞻

本文证明非共价构象锁（NoCL）策略在设计挥发性固体添加剂（VSAs）方面显示出了显著的潜力。这项研究不仅为设计高性能VSA提供了有价值的见解，而且有助于理解VSA的结构-性能关系。未来的研究可以探索更多基于NoCL策略的VSAs，以进一步优化有机太阳能电池（OSCs）的性能。

论文信息：S. Wang, S. Wang, J. Wang, N. Yu, J. Qiao, X. Xie, C. Li, M. S. Abbasi, R. Ding, X. Zhang, Y. Han, G. Lu, J. Zhang, X. Hao, Z. Tang, Y. Cai, H. Huang, Achieving 20% Efficiency in Organic Solar Cells Through Conformationally Locked Solid Additives. Adv. Energy Mater. 2025, 2405205.

https://doi.org/10.1002/aenm.202405205