OSCs 21%!上海交大刘烽&南昌大学陈义旺&吉林大学王同辉&安徽大学杨青青&中山大学刘升华AM:高介电受体实现有源层厚度不敏感型OSCs
- 2026-06-11 16:49:02
小编微信：pftlovechina（大面积效率>23%）
通讯作者：上海交通大学刘烽&南昌大学陈义旺&吉林大学王同辉&安徽大学杨青青&中山大学刘升华
有机太阳能电池中，非富勒烯受体的相对介电常数是一项关键参数，会显著影响激子解离效率与电荷复合行为。目前主流非富勒烯受体介电常数普遍偏低，仅 3～5 左右，容易引发严重的复合损耗，制约器件性能。本文将 L8-BO 侧链上的支链烷基替换为二甲醚基团，合成新型客体受体 L8-BO-FO，其介电常数可达 7.41，远高于原料 L8-BO 的 4.57。
将高介电的 L8-BO-FO 掺入 PM6:L8-BO 二元体系构筑三元有源层，提升了薄膜整体介电性能，加快激子解离并抑制非辐射电荷复合。最终三元有机太阳能电池光电转换效率提升至 21.0%。即便有源层厚度增至 300 nm，器件仍保有 19.1% 的优异效率。
该研究从介电调控角度为制备高厚度容错、高效率有机太阳能电池提供新思路，有利于器件规模化、大面积量产。
图 1 光伏材料的分子结构与理化性能
(a) PM6、L8-BO、L8-BO-FO 的化学结构式；(b) L8-BO 与 L8-BO-FO 随频率变化的相对介电常数；(c) PM6、L8-BO、L8-BO-FO 固态薄膜归一化紫外 - 可见吸收光谱；(d) PM6、L8-BO、L8-BO-FO 的能级排布。
图 2 有机太阳能电池光伏性能
(a) 不同 L8-BO-FO 掺杂比例的二元、三元电池 J-V 曲线；(b) 器件效率随 L8-BO-FO 掺杂占比变化的统计结果；(c) 最优配比 PM6:L8-BO:L8-BO-FO 电池经第三方计量机构标定的 J-V 与功率密度曲线；(d) 二元与三元器件外量子效率曲线；(e) 二元器件与最优三元器件的详细能量损失参数；(f) 二元与最优三元器件电致发光外量子效率曲线；(g) 电荷转移态能量分布（高斯拟合归一化曲线）；(h) 分子动力学模拟的共混膜中非辐射复合速率随重组能量子组分的变化；(i) 非辐射电压损失随重组能量子组分的变化。
图 3 器件物理特性
(a、b) PM6:L8-BO、PM6:L8-BO:L8-BO-FO 共混薄膜瞬态吸收二维等高图；(c) 两种薄膜空穴转移动力学对比；(d) 光生电流密度随有效电压变化曲线；(e) 空间电荷限制电流、光电诱导电荷提取测试得到的载流子迁移率；(f) 器件交流阻抗谱；(g) 归一化瞬态光电流曲线；(h) 短路电流随光照强度变化规律；(i) 归一化瞬态光电压曲线。
图 4 二元 / 三元共混薄膜形貌表征
(a~c) 2×2 微米扫描范围下，PM6:L8-BO、PM6:L8-BO-FO、PM6:L8-BO:L8-BO-FO 薄膜原子力显微镜高度图；(d~f) 三组薄膜二维掠入射广角 X 射线散射图；(g) 薄膜面内、面外方向一维截取曲线；(h) 各组薄膜一维掠入射小角 X 射线散射曲线；(i~k) 分子动力学模拟共混体系中 PM6-PM6、PM6-L8-BO、L8-BO-L8-BO 的径向分布函数。
图 5 厚膜二元、三元电池性能对比
(a) 有源层厚度 300 nm 的二元、三元器件 J-V 曲线；(b) 有源层厚度 110 nm、300 nm 下两类器件效率对比；(c) 不同体系电池效率随有源层厚度变化汇总；(d~f) 300 nm 厚二元膜：吸收光谱随时间演变等高图、给受体吸收峰位与峰强随时间变化、薄膜纵深方向组分分布曲线；(g~i) 300 nm 厚三元膜：吸收光谱随时间演变等高图、给受体吸收峰位与峰强随时间变化、薄膜纵深方向组分分布曲线。
器件制备
器件结构为玻璃 / ITO/2PACz / 有源层 / PNDIT-F3N / 银。ITO 玻璃先后用洗洁精、去离子水、异丙醇清洗，放入烘箱烘干过夜。2PACz 溶于乙醇配成 0.3 毫克每毫升溶液，室温搅拌一小时。ITO 基底用 170 瓦氧等离子体处理 300 秒，再放进氮气手套箱。取 70 微升 2PACz 溶液，先静置滴液 10 秒，再 3000 转每分钟旋涂 30 秒，100 摄氏度退火 5 分钟做成空穴传输层。PM6 和受体按质量一比一点二混合，溶于三氯甲烷，总浓度 16.5 毫克每毫升，加入体积 0.25% 的 DIM，40 摄氏度搅拌一小时；3000 转旋涂 30 秒，100 摄氏度退火 5 分钟得到有源层。PNDIT-F3N 溶于甲醇配成 0.5 毫克每毫升溶液，添加 0.5% 冰醋酸，旋涂在有源层表面，转速 3000 转、时长 30 秒。最后在 1×10⁻⁴帕真空环境下，蒸镀 100 纳米厚银顶电极。
原文：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73497
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