近日，我院崔永杰副教授作为第一作者在国际能源领域的知名期刊《Nano Energy》（中科院材料科学领域一区TOP, IF= 17.1）撰写并发表了题为“Rational design of halogenated volatile solid additives via σ-hole descriptors enables 20.19% efficiency in organic solar cells”的研究论文，24级材料与化工硕士研究生李彦霖为第二作者，上海第二工业大学能源与材料学院为第一通讯单位，通讯作者为上海第二工业大学李文琴副教授和东华大学胡华伟研究员。
内容简介
有机太阳能电池活性层中给体和受体在成膜过程中易发生不可控的聚集，导致相分离尺度失衡、微观结构不稳定，进而引发严重的电荷复合，限制器件效率与稳定性。添加高挥发性固体添加剂（VSAs）已成为构筑理想且稳定形貌的有效策略。目前，普遍采用的高效卤化VSAs，在挥发前可通过其卤原子表面σ-空穴与给受体上N、O、S等富电子位点形成非共价相互作用（σ-空穴键），从而调控活性层形貌。然而，σ-空穴键强度及其对形貌演变的影响仍未得到充分理解。
针对上述科学问题，崔永杰副教授在前期工作中提出将静电势极值点用于描述σ-空穴强度并指导开发了氟溴取代和三氟甲基功能化的VSAs，分别实现了19.2%和20.1%的器件效率（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202500085; J. Mater. Chem. A 2026, 10.1039/d6ta02553f, Emerging Investigators）。基于前期工作基础，通过引入轨道重叠距离与ESP协同描述σ-空穴，建立预测σ-空穴键强度的新方法，进而指导高效卤化VSAs开发。理论计算表明，随着卤素电负性降低，σ-空穴强度逐渐增强，从而有助于实现对分子聚集行为的梯度调控。其中，具有适中σ-空穴强度的TBB在成膜过程中能够完全挥发，同时有效平衡给受体结晶动力学差异，优化垂直组分分布并促进更致密有序的分子堆积，从而提高激子解离与电荷收集效率并抑制电荷复合。因此，TBB处理的PM6:L8-BO电池获得19.63%的器件效率和较好的热稳定性。此外，在D18:L8-BO体系中进一步实现了20.19%的最优效率。这项工作揭示了σ-空穴强度对活性层形貌调控的内在机制，为高效卤化VSAs的合理设计提供了新的理论指导。
此项研究工作得到了国家自然科学基金青年和面上项目以及上海市晨光计划项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.112095
创新点
1. 提出“轨道重叠距离”作为σ-空穴互补描述符，实现卤化VSAs理性设计；
2. 适中的σ-空穴强度是实现添加剂完全挥发与形貌优化的关键；
3. TBB显著优化活性层多尺度形貌，实现器件效率与热稳定性同步提升。
