有機(jī)太陽電池（OSCs）具有柔性、質(zhì)輕、易于大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，作為下一代光伏技術(shù)在便攜式柔性智能設(shè)備、光伏建筑一體化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其工作機(jī)制包括：（1）活性層吸收光子產(chǎn)生激子；（2）激子擴(kuò)散至給/受體界面；（3）激子拆分成自由載流子；（4）電荷傳輸至電極并被收集。其中，活性層形貌對于光生激子的擴(kuò)散、解離以及自由載流子的傳輸、收集具有重要影響。對于目前常用的本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）有機(jī)太陽電池，其活性層中的異質(zhì)結(jié)垂直相分離受到溶劑揮發(fā)速率、溶解性、添加劑、表面能等多重因素影響，通常難以控制。而且，已有較多文獻(xiàn)報(bào)道，PM6等給體材料傾向于在靠近陰極的上層富集，所形成的給受體垂直相分離結(jié)構(gòu)增加了電荷的復(fù)合、阻礙了電荷的高效傳輸和收集，進(jìn)而降低電池的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
最近，華南理工大學(xué)黃飛教授團(tuán)隊(duì)提出了一種利用材料表面能差異而產(chǎn)生的“自分層策略”，對活性層中給受體垂直相分布進(jìn)行了有效調(diào)控。作者合成了一種同時(shí)具有烷基及全氟烷基側(cè)鏈的非對稱非富勒烯受體分子EH-C8F17，單全氟烷基鏈的引入使分子兼具良好的溶解性和較小的表面能。將其作為第三組分引入到二元體系中，所形成的三元OSC表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢：（1）EH-C8F17由于較小的表面能傾向于在表面富集，在表層所形成的受體富集相促進(jìn)了電荷傳輸與收集；（2）下層的BHJ結(jié)構(gòu)確保了激子的高效解離及電荷傳輸；（3）上述優(yōu)異的垂直相分布是受活性層組分間表面能差異驅(qū)動(dòng)而原位自發(fā)形成，避免了多次的逐層沉積步驟。（4）EH-C8F17更寬且相對藍(lán)移的吸收，與二元主體形成吸收互補(bǔ)，增強(qiáng)光子收集。 在PM6:BTP-eC9二元體系中，作者引入EH-C8F17并用動(dòng)態(tài)X射線光電子能譜表征各組分的垂直相分布。結(jié)果表明，EH-C8F17富集在活性層的表層，而PM6和BTP-eC9均勻分布在下層。所形成的獨(dú)特、理想相分離結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了激子的高效解離和電子的傳輸，兼具了本體異質(zhì)結(jié)和準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)。最終，基于PM6:BTP-eC9:EH-C8F17的器件獲得了超過18%的PCE。另外，作者還證明該策略具有良好的普適性，對于PM6:Y6-BO和PM6:IT-4F體系，EH-C8F17的加入均能使PCE得到顯著提升。值得一提的是，得益于上述更優(yōu)的相分離形貌，EH-C8F17的加入可以顯著改善PM6:BTP-eC9器件的厚度敏感性，350 nm的厚膜器件實(shí)現(xiàn)了16.89%的PCE。 該研究提出了活性層“自分層策略”，通過各組分間的表面能差異實(shí)現(xiàn)了垂直相分離的便捷、有效調(diào)控，形成了具有受體富集的表面層、理想BHJ結(jié)構(gòu)的下層的獨(dú)特活性層形貌，確保激子高效解離的同時(shí)提升了電荷的傳輸與收集，為目前BHJ器件面臨的垂直相分離難調(diào)控和厚度敏感性等問題提供了切實(shí)可行的解決方案。 論文信息 A Polyfluoroalkyl-Containing Non-fullerene Acceptor Enables Self-Stratification in Organic Solar Cells Shihao Chen, Dr. Ling Hong, Minghao Dong, Dr. Wanyuan Deng, Lin Shao, Yuanqing Bai, Prof. Kai Zhang, Dr. Chunchen Liu, Prof. Hongbin Wu, Prof. Fei Huang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202213869
