山东大学张茂杰教授团队在提升有机太阳能电池性能方面取得系列进展

　　近日，国家胶体材料工程技术研究中心张茂杰教授团队在有机太阳能电池领域取得系列进展，相关成果先后发表在国际期刊Adv. Funct.Mater和Energy Environ.Sci。
 

　　有机太阳能电池由于生产过程简单、质量轻、半透明和可柔性化等优点，在柔性智能设备等领域具备广阔的应用场景。然而，与高度结晶的无机和有机-无机杂化半导体(如硅和钙钛矿)相比，有机半导体通常表现出无序的结构，这导致有机太阳能电池内部较差的载流子迁移率和严重的双分子复合。此外，由于有机半导体低的介电常数，有机太阳能电池活性层内通常需要存在电子给体和电子受体材料以建立本体异质结形貌。在薄膜形成过程中，受光伏材料不同的结晶和热力学性质的影响，不同材料间复杂相互作用使得形貌调控变得十分复杂。因此，优化有机太阳能电池内部活性层形貌，如结晶、相区尺度和垂直相分布，是提升有机太阳能电池能量转换效率的关键。
 

图1. DBM对给体和受体材料分子堆积的影响
 

图2. DBM处理对给体和受体激子扩散距离的研究
 

　　该团队成功引入一种新型无卤素的挥发性固体添加剂二苯甲酰甲烷(DBM)。通过约化密度梯度(RDG)计算、紫外-可见-近红外(UV-vis-NIR)吸收光谱和掠入射广角X射线衍射(GIWAXS)测试结果证明，DBM可以显著增强给体和受体的有序堆积。DBM处理能有效延长激子在给体和受体薄膜中的扩散距离，促进充分的激子解离和有效的电荷传输，提升短路电流密度(JSC)和填充因子(FF)。研究发现，DBM能够同时增强给体和受体分子的有序堆积，有效延长激子扩散距离，最终助力二元体系获得高达19.4%的PCE。本研究深入阐述了DBM添加剂的作用机制，对推动有机光伏的商业化、可持续发展具有实践指导价值。相关研究成果以“A Halogen-free and Universally Volatile Solid Additive Enables Binary Organic Solar Cells to Exceed 19% Efficiency”为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials(IF：18.5)。论文的通讯作者为张茂杰教授、团队教授国霞，博士研究生韩晨雨和程博为论文的共同第一作者，山东大学为论文第一单位。
 

图3. 光伏材料基本信息
 

图4. 薄膜垂直相分布表征及原位成膜动力学分析
 

　　该团队还提出了一种动力学调控策略，即在活性层成膜过程中，通过引入微量小分子给体(BTR-SCl)原位调控其结晶动力学过程。系统的实验结果表明，BTR-SCl的加入能与PM6:L8-BO形成级联的能级排列、互补的光吸收。此外，由于BTR-SCl强的结晶性，以及与PM6优异的相容性，其在薄膜形成过程中，能显著提升PM6的预聚集，以及延长其结晶生长时间。最终，相比于PM6:L8-BO二元薄膜，PM6:BTR-SCl:L8-BO三元混合膜具有更加优异的分子堆积，以及显著的垂直相分布形貌。这为器件内部激子的扩散、解离、以及载流子的传输提供了良好的环境，最终实现了器件性能的大幅提升。本研究深入探究了有机太阳能电池内部活性层形貌的衍生机理，为未来开发高性能有机光伏器件提供了重要的指导。最终，基于BTR-SCl的三元器件实现了20.0%的能量转换效率，这代表了基于小分子给体的三元有机太阳能电池的最高值。该研究为未来高效有机光伏器件的开发提供了重要指导意义。相关成果以“Manipulating Crystallization Kinetics and Vertical Phase Distribution via Small Molecule Donor Guest for Organic Photovoltaic Cells with 20% Efficiency”为题发表于国际顶级期刊Energy & Environmental Science(IF:32.4)。论文的通讯作者为张茂杰教授、国霞教授，博士研究生程博为论文第一作者，山东大学为论文第一单位。
 

　　该团队长期致力于有机光伏材料与器件相关的科学研究，主要包括有机和聚合物光伏材料的设计与合成、高效器件构筑与器件物理机制研究等。在前期工作中，成功开发出一系列高性能有机共轭光伏材料，能量转换效率始终保持在国际前沿水平，推动了有机太阳能电池的蓬勃发展。 相关研究成果已发表在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Macromolecules等期刊。
 

　　相关研究成果得到山东大学杰出中青年学者、山东大学齐鲁青年学者、山东省自然科学基金和山东省泰山学者项目的资助和支持。山东大学结构成分与物性测量平台为性能表征提供了重要支持。