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  有機(jī)太陽(yáng)能電池因其質(zhì)量輕、可溶液加工、適用于柔性基底等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。廣泛的深入研究已使得有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率突破18%，與商業(yè)化的硅電池效率相當(dāng)。從本質(zhì)上理解其高性能是最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)商業(yè)化的關(guān)鍵。在早期，單組分有機(jī)太陽(yáng)能電池由于活性層與電極之間形成肖特基接，無(wú)法有效進(jìn)行激子解離，光電轉(zhuǎn)換效率不足個(gè)位數(shù)。隨后的平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池通過(guò)給、受體分別與正負(fù)極接觸，避免了肖特基結(jié)構(gòu)問(wèn)題。盡管效率有所提升，但是有限的給受體界面以及有機(jī)半導(dǎo)體固有的較短激子傳輸距離（10-20 nm）嚴(yán)重阻礙了平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的提升。后來(lái)發(fā)展的本體異質(zhì)結(jié)通過(guò)直接將給受體材料共混作為活性層，大大增加了給受體界面，有效促進(jìn)了激子分離；同時(shí)，給受體材料的自發(fā)相分離產(chǎn)生雙連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供了載流子的快速傳輸通道（圖1a 左）。因此，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到大幅提升，本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也成為目前有機(jī)太陽(yáng)能電池的主要結(jié)構(gòu)。然而，本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件性能很大程度上依賴(lài)活性層的納米相分離。然而納米相分離難以調(diào)控，且對(duì)材料的性質(zhì)以及器件制備條件非常敏感，這一問(wèn)題在制備大面積器件時(shí)尤為突出。近年來(lái)，通過(guò)分步溶液涂布制備的準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)獲得了較多關(guān)注（圖1a 中）。準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)的納米相分離也難以精準(zhǔn)控制，給受體界面也相對(duì)有限，不利于器件性能的進(jìn)一步提升。就同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效激子解離和電荷傳輸而言，給受體交互型本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是最為理想的活性層結(jié)構(gòu)（圖1a 右）。然而，迄今為止還沒(méi)有一種很好的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的高性能活性層結(jié)構(gòu)。

  針對(duì)這一難題，四川大學(xué)彭強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在給體溶液中加入微量蠟添加劑的方式，簡(jiǎn)單有效地制備出了高性能的給受體交互型本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，顯著提升了有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。所制備的基于PM6給體和L8-BO受體的非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池器件效率高達(dá)18.74%，高于目前主流的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池（18.10%）。

圖 1. （a）有機(jī)太陽(yáng)能電池的三種典型結(jié)構(gòu)示意圖：本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)（Q-PHJ）器件結(jié)構(gòu)以及交互型本體異質(zhì)結(jié)（IHJ）結(jié)構(gòu)；（b）PM6和L8-BO的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；（c）交互型本體異質(zhì)結(jié)（IHJ）結(jié)構(gòu)活性層的制備示意圖

  該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在給體PM6的溶液中加入微量與PM6不互融的蠟（para film）添加劑，會(huì)誘導(dǎo)在成膜過(guò)程中發(fā)生相分離，促使PM6納米線(xiàn)以及蠟納米液滴的形成。在成膜后期，隨著納米液滴中氯苯溶劑的揮發(fā)，使得PM6薄膜形成納米多孔結(jié)構(gòu)（圖2b）。隨后將L8-BO受體溶液涂布在該多孔薄膜上，受體填充到納米孔道中，最終形成交互型本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)X-射線(xiàn)光電子能譜測(cè)試證實(shí)了受體材料有效填充了這些納米孔道。這樣在增加給受體接觸面積的同時(shí)，也保證了載流子的高效傳輸，完美實(shí)現(xiàn)了激子的高效解離和載流子的高效傳輸，從而大幅提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率（18.74%）。與之相比，給受體直接共混的本體異質(zhì)結(jié)器件效率以及不使用添加劑制備的準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)器件的效率相對(duì)較低，分別為18.10%和17.21%。該團(tuán)隊(duì)同時(shí)對(duì)該方法進(jìn)行了普適性研究，在PBDTS-TDZ/IT-4F、PBDTSF-TZNT/IT-4F以及PNDT-ST/Y6-T體系中均獲得了相同的規(guī)律。研究結(jié)果表明，通過(guò)加入蠟添加劑形成納米多孔結(jié)構(gòu)是制備高性能具有交互型本體異質(zhì)結(jié)活性層結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)單有效方法。該研究為進(jìn)一步發(fā)展高效有機(jī)太陽(yáng)能電池提供了新的器件結(jié)構(gòu)形式。

圖2. 三維原子力顯微鏡高度圖：（a）PM6純膜、（b）蠟添加劑導(dǎo)致多空道的PM6薄膜、（c）PM6:L8-BO共混膜；基于PM6給體以及L8-BO受體的不同活性層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)X-射線(xiàn)光電子能譜：（d）準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、（e）交互型本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、（f）本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

  該研究成果于近日發(fā)表在Advanced Functional Materials上。論文的第一作者為四川大學(xué)化工學(xué)院研究員徐小鵬博士，通訊作者為彭強(qiáng)教授，共同通訊作者為澳大利亞新南威爾士大學(xué)（University of New South Wales）戴黎明教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108797