近日，我院青年教师崔永杰作为共同第一作者在国际化学领域的顶级期刊Angewandte Chemie International Edition（SCI一区TOP,IF=16.6）合作撰写并发表了题为“Manipulatingσ-Hole Interactions in Halogenated Additives for High-Performance Organic SolarCells with 19.8% Efficiency”的研究论文，指导的我院24级材料与化工硕士研究生柴照涵参与了该工作，通讯作者为东华大学胡华伟研究员和陈义旺教授，该研究得到了国家自然科学基金青年项目的支持。《德国应用化学》(AngewandteChemie)创刊于1888年，是德国化学学会（GDCh）的官方期刊并由Wiley�CVCH出版，是化学研究领域最具影响的顶级学术期刊。
图文简介
有机太阳能电池（OSCs）凭借其轻质柔性、可大面积溶液加工及半透明特性，在柔性可穿戴电子、建筑光伏一体化等领域展现出独特优势。近年来，通过非富勒烯受体材料的创新设计与器件工艺的协同优化，OSCs的光电转换效率已突破19%，逐步逼近商业化应用临界值。活性层形貌调控是OSCs研究的核心课题，其给体（D）与受体（A）的纳米尺度相分离结构直接影响激子解离效率、电荷传输动力学及复合损失程度，进而决定器件性能。为实现活性层多尺度结构的精准调控，研究者已建立多维度协同优化策略，包括调控D/A组分比例、构建三元共混体系、引入功能化添加剂以及发展溶剂体系调控和动态结晶控制等方法。其中，溶剂添加剂工程因操作简便且调控效果显著，被广泛应用于活性层形貌优化，但其残留的低挥发性添加剂易引发活性层重结晶，导致器件性能衰退，对工艺重复性和长期稳定性构成挑战。因此，探索新型挥发性固体添加剂以精准调控活性层形态并提升OSCs性能，成为当前研究的关键方向。
基于此，本研究选取了两种卤素取代的挥发性固体添加剂1,4-二溴苯（DBB）和1,4-二氟-2,5-二溴苯（DFBB），通过分子表面静电势（ESP）分析发现DFBB具有更强的σ-空穴作用位点，优先与受体产生相互作用并提升其结晶度。DFBB在成膜后完全挥发，有效平衡给受体结晶差异并形成优化的垂直组分分布。共振软X射线散射（R-SoXS）证实DFBB能提升相纯度并将相区尺寸调控至激子扩散距离范围。基于PM6:L8-BO的器件效率提升至19.2%，显著高于对照组（17.0%）和DBB组（18.2%），且在70°C下展现更优稳定性。DFBB通过强σ-空穴相互作用诱导的多尺度形貌优化有效提升了JSC和FF，该策略在PM6:Y6、PM6:BTP-eC9及D18:L8-BO体系中均获验证，其中D18:L8-BO器件创下19.8%的效率纪录。该工作从电子结构特性与形貌调控机制角度，为开发高效挥发性添加剂提供了理论指导和实验依据。
图1.a) PM6和L8-BO的化学结构；b)DBB和DFBB添加剂的计算静电势分布及其化学结构；c)不同添加剂处理的PM6的紫外-可见吸收光谱；d)不同添加剂处理的L8-BO的紫外-可见吸收光谱；e)L8-BO与添加剂之间的非共价相互作用的RDG分析；f-j)不同添加剂处理的L8-BO纯薄膜的二维广角X射线衍射图谱；i)不同添加剂处理的L8-BO纯薄膜的CCL直方图。
图2.a) J-V曲线；b) 效率直方图；c)不同添加剂处理的PM6:L8-BO的外量子效率（EQE）光谱。ΔEQE= EQE（有添加剂）-CEQE（无添加剂）；d)JSC-Plight和e) VOC-Plight特性，以及f)不同器件的Jph-Veff曲线；g)瞬态光电流衰减曲线；h)瞬态光电压衰减曲线；i)通过空间电荷限制电流（SCLC）测量的孔和电子迁移率。
图3.a)（无添加剂）、b)DBB和c)DFBB的原位紫外-可见吸收光谱随时间的演变；d)PM6:L8-BO（无添加剂）、e) PM6:L8-BO（DBB）和f)PM6:L8-BO（DFBB）中受体和供体峰位随时间的演变；g)不同添加剂处理的PM6:L8-BO中供体PM6和受体L8-BO的结晶时间的原位紫外-可见测试，以及TD/A；h)DFBB添加剂在PM6:L8-BO膜形成过程中的工作机制示意图。
图4.a-c) 不同薄膜厚度下的组分比例变化;基于PM6:L8-BO体系的共混薄膜二维掠入射广角X射线散射图谱：d)未添加、e)添加DBB、f)添加DFBB;g) 基于PM6:L8-BO体系共混薄膜的线性曲线;h)经不同添加剂处理的共混薄膜二维GIWAXS数据相干长度统计直方图;i) 共振软X射线散射强度分布曲线。
图5. 不同体系的J-V曲线及对应的EQE曲线
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202500085