华南理工大学陈军武教授团队最新AEM:可原位去除的固体添加剂助力有机太阳电池效率超过19%,FF超过81%

华南理工大学陈军武教授团队开发了两种新型可原位去除的固体添加剂1-氯-4-碘苯（CIB）和1,4-二氯苯（DCB），助力有机太阳电池（OSCs）效率超过19%，填充因子（FF）超过81%。 以下是详细介绍：研究背景有机太阳电池（OSCs）因质量轻、可打印、可制备大面积和柔性电子器件的潜力备受关注。单节OSCs的功率转化效率（PCE）已超19%。活性层的纳米级形貌影响激子扩散、电荷分离、传输及复合，是决定OSCs效率的关键因素。传统提高光伏性能的策略包括调节给受体比例、混合溶剂、热/溶剂退火、引入溶剂添加剂等。其中，溶剂添加剂简单有效，但高沸点溶剂添加剂挥发性差、去除困难，残留会影响器件重复性和稳定性，制约大规模生产应用。固体添加剂可调节活性层形貌并避免溶剂添加剂的缺点，但通常依赖加热挥发去除，限制了热退火温度的选择。研究内容新型固体添加剂开发：华南理工大学陈军武教授团队开发了两种在旋涂过程中可原位去除的新型固体添加剂CIB和DCB，用于比较研究的固体添加剂1,4-二碘苯（DIB）因熔点或沸点过高，不具备旋涂过程原位去除能力。性能提升效果迁移率提升：经过CIB和DCB处理后的PM6:BTP-eC9混合薄膜的电子和空穴迁移率大幅提高。激子解离与载流子复合：CIB和DCB的引入提高了激子的解离效率、减少载流子复合、提高载流子寿命以及减少电荷提取时间。PCE提升：在未退火处理时，经过CIB和DCB处理的二元器件PCE达到17.8%，明显高于DIB处理器件的16.8%和as-cast器件的16.5%。经过90℃下5分钟退火，CIB和DCB加工的二元器件分别获得了18.4%和18.2%的PCE，高于DIB器件的17.8%，18.4%效率是迄今为止报道的PM6:BTP-eC9二元单节OSCs的最高效率之一。普适性研究：对CIB进行普适性研究，将其引入到PM6:IT-4F、PDTBT-4F:Y14、D18-Cl:Y6和PM6:L8-BO二元体系当中，CIB的引入使所有二元体系PCE大幅提升。最终，CIB处理使PM6:D18-Cl:L8-BO三元体系获得了19.1%的高器件效率以及81.1%的高填充因子。作用机制研究形貌调控：通过原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）光谱表征发现，CIB的引入可以诱导给体和受体的结晶性进一步增强且更加趋于face-on排列以及形成更为紧密的π-π堆积。表面粗糙度与网络结构：经过CIB的处理，混合膜表面获得了一个相对适中的粗糙度以及更为明显的纳米级双连续互穿网络，这些形貌上的改变更有利于激子的解离、载流子的传输以及电荷的提取。研究意义这项工作中报道的新型可原位去除的固体添加剂策略和机制为活性层形貌优化提供了新的见解，并为固体添加剂的设计提供了一种新思路。研究团队与成果发表本工作主要由华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室团队完成，研究生孔令晨和张泽升署名共同一作，张连杰副教授和陈军武教授署名通讯作者。同时，该工作也得到了广州大学张伟副教授、国家纳米科学中心的张建齐副研究员和魏志祥研究员的大力支持。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》上，题为“In Situ Removable Additive Assisted Organic Solar Cells Achieving Efficiency Over 19% and Fill Factor Exceeding 81%”。