有机太阳能电池（OPV）因其可调节的光吸收特性、轻便、柔性及在多种照明条件下的优异表现，逐渐成为光伏领域研究的热点。随着材料设计与制备技术的进步，OPV的光伏性能显著提升，推动其产业化进程。然而，高效OPV电池的制备常需复杂的后处理工艺，如退火与添加剂使用，这不仅增加了生产成本，还限制了其实际应用。为了实现高效且免后处理的制备策略，形态调控技术的开发成为关键。
在此背景下，本研究突破性地设计并合成了新型融合非富勒烯受体GS-20，并将其作为第三组分引入PBQx-TF基有机太阳能电池中。此创新设计使三元电池在无需任何后处理的情况下，达到了19.0%的高功率转换效率（PCE），成为目前已报导的免后处理OPV电池中性能最高的之一。GS-20的引入加速了薄膜沉积过程并促进了eC9-2Cl的分子聚集，改善了分子堆栈结构，从而提高了电荷传输效率及热稳定性。
研究成就与看点:
本研究设计合成了一种新型融合非富勒烯受体GS-20，并将其作为第三组分引入到PBQx-TF:eC9-2Cl基有机太阳能电池中，实现了高效的免后处理有机太阳能电池。
该三元电池无需任何后处理，即可获得19.0%的高功率转换效率 (PCE)，是目前已报导的免后处理有机太阳能电池中的高效率之一。
GS-20的引入加速了薄膜沉积过程，促进了eC9-2Cl的分子聚集，并改善了分子堆栈。
免后处理三元电池展现出优异的热稳定性和形态稳定性，在85°C的氮气手套箱中加热1000小时后仍能保持其初始PCE的90%。
该三元策略也适用于大面积模块的制备，使用刮涂法制备的免后处理有机太阳能模块 (23.6 cm2) 获得了13.5%的PCE。
本研究提供了一种有效的分子设计策略，通过三元策略实现免后处理有机太阳能电池，为有机太阳能技术的产业化铺平了道路。
一、研究团队:
本研究由中国科学院化学研究所侯剑辉教授团队完成。
二、研究背景
有机太阳能电池 (OPV) 因其可调节的光吸收、轻量化和柔性等特性，在多种照明条件下展现出巨大的应用潜力。
随着有机半导体材料和制备方法的发展，OPV电池的光伏性能得到了显著提升，吸引了大量关注和致力于OPV产业化的研究。
OPV电池的性能与许多电学过程相关，包括激子解离、电荷传输和复合，所有这些都受到活性层内分子聚集和相分离的影响。
因此，形态调控对于在制造过程中获得高效OPV电池至关重要。然而，由于聚集结构主要由薄膜沉积过程中的材料结构和加工条件决定，因此需要大量投资来开发有效且通用的形态调控策略。
目前，已经建立了多种形态调控策略，包括退火、选择加工溶剂和添加剂、以及三元策略等。目前，添加剂和退火的组合是调节OPV电池中聚集结构和相分离广泛使用的方法。
例如，挥发性固体添加剂已被成功开发用于调节活性层的聚集结构，使二元电池的功率转换效率 (PCE) 超过19%。另一方面，三元策略被广泛应用于先进的OPV电池中，以将PCE提升至约20%。
第三组分的引入可以通过选择性地与供体或受体相互作用来调节相分离、结晶度和分子堆栈，促进电荷解离和传输，从而提高开路电压 (VOC) 和填充因子 (FF)。Xie等人将第三组分Qx-5Cl引入PBDB-TF:BTP-eC9共混物中以调节结晶动力学，实现了19.8%的PCE。Jiang等人报导了一种基于D18:Z8:L8-BO的三元OPV电池，其PCE达到20.2%。
尽管取得了这些显著的成就，但对于三元薄膜的形态调节，仍然需要额外的后处理，例如退火和使用添加剂。对于OPV电池的产业化而言，后处理需要复杂的制造工艺以及设备和时间的高成本投入，这对于工业制造来说是多样化的。因此，有效且简单的形态调控仍然是实现高效免后处理OPV电池产业化面临的诸多挑战。
三、解决方案
为了解决上述问题，本研究设计合成了一种新型融合非富勒烯受体GS-20。GS-20由于其高度平面的共轭骨架，表现出强结晶性和聚集特性。研究团队将GS-20作为第三组分引入到高效的PBQx-TF:eC9-2Cl二元体系中，制备了三元OPV电池。
GS-20与eC9-2Cl的兼容性高于与PBQx-TF的兼容性，使其能够诱导分子间聚集。在成膜动力学方面，PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20的三元共混物表现出加速的薄膜沉积过程和快速的分子聚集。
值得注意的是，与流延二元薄膜相比，三元薄膜在没有任何后处理的情况下，显示出增强的分子堆栈和有序性以及光滑的薄膜表面，这有利于减少非辐射能量损失和改善电荷传输。
因此，三元OPV电池在不使用任何添加剂和退火的情况下，实现了19.0%的高PCE，这对于免后处理OPV电池来说是目前先进的性能。
此外，这种三元策略对于大面积模块的制备是可行的。使用刮涂法成功制备了免后处理OPV模块 (23.6 cm2)，实现了13.5%的PCE。
四、实验过程与步骤
材料制备:
本研究中使用的材料包括：
供体材料：PBQx-TF / 受体材料：eC9-2Cl 和 GS-20 / 界面层材料：PEDOT:PSS、NDI-Ph、ZnO、MoO3 / 电极材料：ITO、Ag、Al
GS-20的合成路线如图S1所示。
OPV电池的制备采用了传统的ITO/PEDOT:PSS/BHJ/NDI-Ph/Ag结构。
活性层材料PBQx-TF:GS-20 (D/A=1:1)、PBQx-TF:eC9-2Cl (D/A=1:1.2) 和 PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20 (D/A=1:1:0.2) 溶解在甲苯中，供体浓度为7.5 mg mL-1。
对于需要后处理的PBQx-TF:eC9-2Cl基电池，在旋涂活性层之前，将0.5 vol%的1,8-二碘辛烷添加到溶液中。
OPV模块的制备采用了ITO/ZnO/PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20/MoO3/Al的结构。
活性层材料PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20 (D/A=1:1:0.2) 溶解在甲苯中，浓度为6 mg mL-1。
五、研究过程与成果表征
此研究采用分子设计和三元策略来实现高效且无需后处理的有机光伏 (OPV) 电池。具体研究方法包含以下几个方面：
1. 分子设计与合成：
设计并合成了一种名为 GS-20 的新型非富勒烯受体材料。123 GS-20 具有稠合的共轭骨架，赋予其强结晶性和聚集特性。相关的核磁共振氢谱（1H-NMR）和基质辅助雷射脱附游离飞行时间质谱（MALDI-TOF）数据也一并提供以验证化合物的结构。
2. 材料表征：
● 光学性质： 测量了 PBQx-TF、eC9-2Cl 和 GS-20 的紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱，以研究它们的光吸收和发光特性。也利用循环伏安法 (CV) 测量了 GS-20 的最高占据分子轨道 (HOMO) 和低未占分子轨道 (LUMO) 能级。
● 聚集特性与形貌： 使用接触角测量和 Flory-Huggins 参数 (χ) 来评估材料的混溶性。并利用掠入射广角 X 射线散射 (GIWAXS) 技术研究了 GS-20、eC9-2Cl 及其共混物的结晶度和分子堆栈。同时，使用原子力显微镜 (AFM) 表征了共混薄膜的形貌和表面粗糙度。
3. 薄膜制备与器件组装：
采用旋涂法制备了不同组成的活性层薄膜，包括二元共混物 (PBQx-TF:eC9-2Cl 和 PBQx-TF:GS-20) 和三元共混物 (PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20)。对于需要后处理的二元电池，在旋涂活性层之前，将 0.5 vol% 的 1,8-二碘辛烷 (DIO) 添加到溶液中。制备好的活性层薄膜随后进行热退火处理。完整的器件结构为 ITO/PEDOT:PSS/活性层/NDI-Ph/Ag。
此外，使用刮刀涂布法制备了大面积的三元 OPV 模块，器件结构为 ITO/ZnO/PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20/MoO3/Al。
4. 器件性能测试与分析：
本研究采用了多种表征手段来分析材料的性质和器件的性能，包括光谱分析、形貌表征和器件性能测试等。
器件性能表征
电流密度-电压 (J-V) 特性曲线 (图 4a)：
PBQx-TF:GS-20基电池由于分子能级偏移较大，开路电压 (Voc) 较低，为0.845 V，填充因子 (FF) 为74.9%，最终PCE为9.94%。
未经后处理的PBQx-TF:eC9-2Cl基电池获得了17.1%的PCE，Voc为0.886 V，短路电流密度 (Jsc) 为26.7 mA cm-2，FF为72.4%。
经过后处理的PBQx-TF:eC9-2Cl基电池PCE提升至17.7%，Voc为0.857 V，Jsc为27.0 mA cm-2，FF提升至76.6%。
引入GS-20的三元电池在未经任何后处理的情况下，Voc显着提升至0.890 V，FF提升至78.4%，最终PCE达到19.0%。
外量子效率 (EQE) 曲线 (图 4b)： EQE曲线显示，三元电池在整个光谱范围内都具有较高的EQE值，表明其能够有效地将光子转化为电子。
电致发光外量子效率 (EQEEL) 测量 (图 4c)：
三元电池的EQEEL值 (1.77 × 10−4) 明显高于基于PBQx-TF:eC9-2Cl的电池 (9.21 × 10−5)，但略低于未经后处理的二元电池 (2.26 × 10−4)。
这表明GS-20的引入可以调节聚集结构，减少非辐射复合损失。
光强依赖性Voc测量 (图 4e)：
三元电池的Voc与光强关系曲线的斜率为1.14 kT/q，表明其具有最小的陷阱辅助复合。
光强依赖性Jsc测量 (图 4f)： 所有OPV电池的指数因子 (α) 均接近0.98，表明双分子复合对器件性能的影响较小。
瞬态光电流 (TPC) 测量 (图 4g)：
与未经后处理的电池相比，经过后处理的PBQx-TF:eC9-2Cl基电池表现出较弱的陷阱辅助复合，这归因于其优化的聚集结构。
引入GS-20后，陷阱辅助复合得到进一步抑制，从而提高了三元电池的Voc和FF。
光诱导电荷载流子线性增压萃取 (photo-CELIV) 测量 (图 4h)：
三元电池的载流子迁移率为1.90 × 10−4 cm2 V−1 s−1，与基于PBQx-TF:eC9-2Cl的二元电池相比适中。
其他表征
紫外-可见吸收光谱 (图 1b)： GS-20薄膜的最大吸收峰位于687 nm，吸收起始波长为751 nm，对应的光学带隙 (Eg) 为1.65 eV，与PBQx-TF:eC9-2Cl共混薄膜的吸收互补。
循环伏安法 (CV) (图 S2b)： GS-20的HOMO和LUMO能级分别为−5.89 eV和−4.14 eV，比PBQx-TF和eC9-2Cl更深。
掠入射广角X射线散射 (GIWAXS) (图 1d)：
GS-20和eC9-2Cl均表现出优先的out-of-plane方向。
将eC9-2Cl与20%的GS-20混合后，所得薄膜的结晶度增强，并保持一致的out-of-plane方向。
与流延二元薄膜相比，三元共混薄膜的π-π堆栈距离 (3.78 Å) 和结晶相干长度 (CCL, 18.5 Å) 均有所改善。
原子力显微镜 (AFM) (图 S8)：
PBQx-TF:GS-20薄膜表现出明显的聚集和纤维网络形态。
未经后处理的PBQx-TF:eC9-2Cl薄膜的表面粗糙度 (Rq) 较小，为1.34 nm，分子聚集较弱。
经过后处理后，PBQx-TF:eC9-2Cl薄膜的纤维网络形态增强，相分离更明显，Rq值增大至2.60 nm。
三元薄膜更加均匀，Rq值最小，为1.30 nm，并表现出良好的相分离。
5. 模块制备与性能测试： 制备了大面积的 OPV 模块，并测量了其 I-V 曲线和 PCE，以验证该三元策略在大面积器件制备中的可行性。
此研究通过分子设计、材料合成、薄膜制备、器件组装和性能测试等一系列方法，系统地研究了 GS-20 作为第三组分在提高 OPV 电池性能方面的作用，并成功制备了高效且无需后处理的 OPV
六、研究成果
本研究成功设计合成了一种新型融合非富勒烯受体GS-20，并将其作为第三组分引入到PBQx-TF:eC9-2Cl基有机太阳能电池中，制备了高效的免后处理有机太阳能电池。
该三元电池无需任何后处理，即可获得19.0%的高PCE，是目前已报导的免后处理有机太阳能电池中的高效率之一。 GS-20的引入加速了薄膜沉积过程，促进了eC9-2Cl的分子聚集，并改善了分子堆栈，从而提高了器件的Voc和FF。
此外，该三元策略也适用于大面积模块的制备，使用刮涂法制备的免后处理有机太阳能模块 (23.6 cm2) 获得了13.5%的PCE。
免后处理有机太阳能电池的研发与性能
研究人员设计合成了一种新型非富勒烯受体GS-20，并探讨其作为第三组分添加到PBQx-TF:eC9-2Cl基有机太阳能电池中的影响。
实验结果显示，添加GS-20的三元电池在未经任何后处理的情况下，光电转换效率 (PCE) 即可达到19.0%，是目前已报导的免后处理有机太阳能电池中的高效率之一。
GS-20的设计与合成
GS-20具有融合的共轭骨架，具有高平面性，赋予其强结晶性和聚集特性。 GS-20的合成路线如图S1所示。
GS-20对薄膜形成动力学的影响
通过原位紫外-可见吸收光谱测量研究了GS-20对薄膜形成动力学的影响。结果表明，GS-20的加入加速了薄膜沉积过程，缩短了薄膜形成时间。
GS-20对薄膜形貌的影响
GIWAXS测量显示，三元共混薄膜的π-π堆栈距离 (3.78 Å) 和结晶相干长度 (CCL, 18.5 Å) 均有所改善，表明GS-20的引入增强了eC9-2Cl的分子聚集，并调节了分子堆栈。
AFM测量显示，三元薄膜更加均匀，表面粗糙度 (Rq) 最小 (1.30 nm)，并表现出良好的相分离。
GS-20对器件性能的影响
添加GS-20的三元电池在未经任何后处理的情况下，Voc提升至0.890 V，FF提升至78.4%，最终PCE达到19.0%。
与二元电池相比，三元电池的能量损失更低，陷阱辅助复合得到抑制，载流子迁移率得到提高。
三元电池还表现出优异的热稳定性和形貌稳定性。
免后处理有机太阳能模块的制备
使用刮涂法制备了基于PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20三元共混体系的免后处理有机太阳能模块，其有效面积为23.6 cm2，获得了13.5%的PCE，证明了该三元策略在大面积器件制备中的可行性。
本研究通过分子设计和三元策略实现了一种高效的免后处理有机太阳能电池，为有机太阳能电池的工业化生产提供了新的思路。
文献参考自Advanced Energy Material_DOI: 10.1002/aenm.202404482
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