有机太阳能电池（OSCs）作为一种可持续的能源解决方案，近年来引起了广泛关注。然而，在高效、大面积的制备和长时间的稳定性方面，仍面临着许多技术挑战。提高有机太阳能电池厚度以应对大面积生产的需求，往往会导致效率的下降。这是因为较厚的有机活性层通常会导致性能的显著下降，特别是在材料结晶性和载流子迁移率方面。
成果简介基于此，苏州大学李永舫院士、李耀文教授等人设计了一种有机半导体调节剂—AT-β2O，能够通过调节活性层中各组分的结晶顺序，优化其结构，最终提升有机太阳能电池的效率。该研究以“Organic solar cells with 20.82% efficiency and high tolerance of active layer thickness through crystallization sequence manipulation”为题，发表在《Nature Materials》期刊上。
1、通过引入AT-β2O材料，调控了供体和受体材料的结晶顺序，优化了活性层的相分离结构。这一调控有助于增强器件的电荷传输特性和稳定性。
2、该策略成功提升了有机太阳能电池的光电转换效率（PCE），最高可达20.82%，在厚膜（高达400nm）条件下仍能保持较高的性能。
3、使用AT-β2O的器件在长时间光照下稳定性显著提高，能够在1000小时的持续照射下保持83%的初始PCE，且适用于大面积模块的生产，PCE可达18.36%。
图文导读
图1 通过X射线晶体学分析获得的分子结构和单晶结构
图1展示了AT-β2O的分子结构以及它如何通过增加不对称OEG侧链的方式影响结晶性。AT-β2O的分子由中央的融合核结构和在β位点上带有OEG链的噻噁烷单元构成。该结构的设计提高了分子的平面度和电荷的去局域化，增加了分子间的π-π堆叠，并通过形成多种堆叠模式（如图1c和1d所示），增强了晶体的有序排列。这些堆叠模式的独特性为高效的电荷载流子传输提供了支持。通过X射线晶体学分析，可以看到AT-β2O的单晶展示了五种不同类型的π-π堆叠二聚体配置（如图1c所示）。这些堆叠模式不仅存在于分子核心的重叠部分，还包括了分子末端与核心之间的π-π堆叠，这一发现与传统的Y系列小分子受体材料有所不同。通过这种分子堆叠方式，AT-β2O能够形成更加紧密的三维交织结构，为提高结晶度并优化电荷载流子迁移提供了良好的基础。
图2 结晶度和沉积动力学表征
图2展示了不同厚度下（100nm与400nm）D18-Cl:N3:AT-β2O薄膜的结晶动力学。通过二维广角X射线衍射（2D GIWAXS）图谱详细描述了在不同膜厚条件下，D18-Cl与N3的结晶行为。引入AT-β2O后，N3在薄膜中的结晶表现出显著不同于纯N3的行为。在100nm厚度的薄膜中，AT-β2O的引入促进了N 3较好的结晶，并在膜表面形成了优良的面向结构；而在400nm厚的薄膜中，AT-β2O有效地调节了N3的结晶过程，保持了较高的结晶质量和长程有序的分子堆积。强调了AT-β2O如何通过调节结晶过程，促进了供体（D18-Cl）和受体（N3）材料在活性层中的理想相分离，从而在较厚的膜中提高了载流子的迁移能力和光电性能。此外，AT-β2O还能够在厚膜中抑制结晶缺陷的产生，保证了整个薄膜的高性能。
图3 膜厚与相分离的关系
图3通过SEM和EDX成像，展示了400nm厚的D18-Cl:N3:AT-β2O薄膜在垂直方向上的相分离情况。图中的扫描电镜图像清晰地展示了在AT-β2O的调控下，薄膜内形成了明显的垂直相分离。图3a显示了D18-Cl:N3:AT-β2O薄膜的相分离情况，其中D18-Cl材料倾向于聚集在薄膜的底层，而N3和AT-β2O则主要集中在顶部，形成了一个典型的梯度分布。这种相分离方式对于提高电子和空穴的迁移效率至关重要，特别是在较厚的膜层中，能够有效避免由不均匀相分离引起的电荷载流子复合。此外，图3b和3c的EDX分析进一步验证了这一分布模式，显示了N3和AT-β2O在垂直方向上的梯度分布。这一发现表明，通过AT-β2O调节剂的引入，能够在有机太阳能电池的厚膜中实现更加有效的相分离，从而提高电池的整体性能。
图4 薄膜结晶动力学表征
图4展示了AT-β2O对薄膜结晶动力学的影响，利用二维GIWAXS和UV-Vis吸收谱，揭示了AT-β2O如何在不同的薄膜形成阶段影响材料的结晶速率。在该图中，可以看到AT-β2O的加入显著改变了结晶过程。通过与未添加AT-β2O的薄膜进行对比，图4a和4b的GIWAXS图像显示，在加入AT-β2O后，D18-Cl和N3的结晶速率显著提高，尤其是D18-Cl材料在150ms时便开始结晶，而N3则在250ms开始结晶。图4c的UV-Vis吸收谱进一步验证了这一现象，显示了AT-β2O对溶液中溶质溶解度的影响，从而改变了结晶的顺序和速率。AT-β2O的加入使得材料在薄膜形成过程中经历了更为平衡的结晶过程，促进了垂直相分离的形成，有助于提高最终薄膜的晶体质量。
图5 设备的光伏性能
图5展示了不同厚度下（100nm-400nm）的器件光电转换效率（PCE）统计图。标示了不同膜厚的有机太阳能电池在引入AT-β2O后的PCE提升情况。研究表明，随着膜厚的增加，AT-β2O不仅提高了膜层的结晶质量，还增强了电荷载流子的传输和收集效率。在100nm薄膜中，PCE提升到20.24%，而在厚度为400nm的薄膜中，PCE仍然保持在17.93%，显示了AT-β2O在提升厚膜太阳能电池性能方面的巨大潜力。此外，AT-β2O对不同厚度的膜层都表现出显著的性能提升，其优化的相分离结构在厚膜条件下展现出了更好的载流子迁移性和较少的光生载流子复合，从而保持了高效的光电转换。
图6 大面积OSC模块和设备稳定性
图6 展示了大面积有机太阳能电池模块的性能。通过J-V曲线展示了基于AT-β2O调控策略的15.03cm²大面积模块的光电性能，该模块的PCE达到了18.36%。与传统的二元体系相比，AT-β2O调控后的模块具有更高的填充因子（FF），达到77.24%，而传统模块的填充因子为56.63%。此外，还展示了光束激发电流（LBIC），证明AT-β2O有效地优化了大面积模块的光电流分布，使其更加均匀并增强了光电流的强度。在长时间的白光LED照射下，经过1200小时后，模块仍保持了83%的初始PCE，显示出AT-β2O不仅提升了器件的光电转换效率，还显著增强了其长期稳定性，为大规模太阳能电池模块的生产提供了可靠的技术保障。总结展望本项研究展示了通过AT-β2O调节剂在有机太阳能电池中调控晶化序列的策略，能够在大面积生产中实现较厚活性层的高效能。这种方法不仅提高了电池的光电转换效率，还增强了电池对厚度变化的适应性，尤其是在400nm厚的膜中依然能保持20%以上的效率。
文献信息Organic Solar Cells with 20.82% Efficiency and High Tolerance of Active Layer Thickness through Crystallization Sequence Manipulation. Nature Materials.https://doi.org/10.1038/s41563-024-02062-0
