北理工团队在利用挥发性固体添加剂构筑高效率铸态有机太阳能电池研究中取得重要进展

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近日，北京理工大学化学与化工学院硕士研究生毛鹏在材料领域国际权威期刊《Materials Science and Engineering: R: Reports》（影响因子：31.6）发表了题为“In-situ volatilization of solid additive assists as-cast organic solar cells with over 20 % efficiency”的研究论文。该论文由北京理工大学独立完成，安桥石特别研究员和王金亮教授担任共同通讯作者。

有机太阳能电池（OSCs）由于具备颜色可调、半透明性、柔性及低成本等优点，在集成光电子器件和柔性电子产品中展现出广阔的应用前景。近年来，随着有机半导体材料和器件结构的持续优化，单结有机太阳能电池的功率转换效率（PCE）已突破20%，达到实际应用标准。然而，目前实现高效率的OSCs通常依赖复杂的前处理或后处理工艺以调控活性层形貌，这不仅提高了制造成本，也对器件稳定性、重复性以及大规模生产兼容性带来了挑战。因此，开发工艺简单且高效的OSCs具有重要意义。

铸态OSCs因其活性层制备过程中无需任何额外优化步骤，是降低加工成本的理想方案。此外，铸态器件更有利于揭示材料结构与性能之间的关系，从而推动有机光伏材料的发展。受高挥发性固体添加剂启发，若在活性层成膜过程中添加剂能够完全挥发而无需后续热退火，则可以将此类器件视为多组分铸态OSCs。在此研究中，团队将一种高挥发性固体添加剂DBDF引入多个体系并制备了一系列器件（图1），系统地研究了其构效关系。

图1. 材料特性及DBDF固体添加剂原位挥发行为的研究。

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通过成膜动力学与微观结构分析发现，在不进行任何附加处理的前提下，DBDF在旋涂过程中即可完全原位挥发（图2），有效诱导活性层形成更有序的分子堆积结构以及给体-受体垂直相分离，从而促进电荷的高效生成与提取。同时，这种有序排列还使材料吸收光谱发生红移，提升了光子捕获能力，进一步增强了光电流输出。以PM6:Y6为活性层体系，加入DBDF的OSCs在无额外工艺优化的情况下实现了18.1%的优异PCE，并表现出良好的稳定性，显著优于对照样品。而在D18:N3:Y6-1O体系中引入DBDF后，铸态器件更是获得了高达20.2%的PCE，其性能可与文献中采用多种复杂工艺所得器件相媲美。值得注意的是，后续热退火处理因导致电压损失增加，对效率提升几乎没有帮助。该研究提出了一种简化器件制备流程的新策略，为实现低成本、高效率有机太阳能电池的商业化提供了重要参考。

图2. 活性层成膜过程中的动力学行为分析。

本研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金支持，并得到北京理工大学分析测试中心的技术协助。

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 2025-06-26