通过协同热效应和偶极工程合理选择用于有机光伏的挥发性固体添加剂

《Nano Energy》：Rational selection of volatile solid additives for organic photovoltaics via synergistic thermal and dipole engineering

有机太阳能电池中挥发性固体添加剂通过调控偶极矩和热损失优化活性层结构，显著提升激子解离效率，其中1-溴-2-甲氧基萘（B-2MN）可使器件效率达20.50%并增强热稳定性。

　　有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）作为一种新兴的光伏技术，因其半透明性、柔性和溶液加工性而备受关注。随着材料设计和器件工程的不断进步，单结OSC的光电转换效率（Power Conversion Efficiencies, PCEs）已突破20%大关。然而，要实现更高的性能，优化活性层的形貌是关键因素之一。活性层的微观结构直接影响光生载流子的产生、传输和复合过程，因此，寻找有效的添加剂来调控这些结构特性成为研究的重点。

在众多添加剂中，挥发性固体添加剂（Volatile Solid Additives, VSAs）因其高挥发性而受到越来越多的关注。这类添加剂能够在加工过程中被有效去除，从而避免残留物对器件性能和稳定性的负面影响。与传统的溶剂添加剂相比，VSAs不仅能够改善活性层的微观结构，还能提升器件的整体性能。然而，尽管已有大量关于VSAs的研究，这些工作大多集中在传统的本体异质结（Bulk Heterojunction, BHJ）结构上，而对顺序沉积（Sequentially Deposited, SD）结构中VSAs的作用机制仍缺乏深入理解。

在SD-OSCs中，活性层通常是通过分步沉积工艺形成的，这种结构可以实现更精确的界面控制和更高的能量转换效率。然而，目前对于VSAs如何影响SD-OSCs中电荷生成路径的研究仍处于初步阶段。为了填补这一知识空白，研究人员提出了一种基于物理特性的VSAs选择框架，旨在系统地关联VSA的分子性质与活性层的形貌演化以及电荷生成动力学。这一框架的核心理念是：在可控的T_loss（失重温度）条件下，具有较大偶极矩的VSAs对活性层形貌的优化效果更为显著。

基于这一框架，研究团队开发了一种名为1-溴-2-甲氧基萘（1-bromo-2-methoxynapthalene, B-2MN）的高效VSA。该添加剂被引入到给体溶液中，用于活性层的制备。实验结果表明，B-2MN在缓慢挥发过程中能够与给体和受体材料发生相互作用，从而促进分子的有序排列和更优化的薄膜形貌。这一过程不仅增强了给体-受体界面的接触面积，还提高了分子的有序性，最终形成了双纤维网络结构，这在提高器件性能方面具有重要意义。

进一步的光物理表征显示，B-2MN能够有效抑制激子-振动耦合，延长激子寿命并提升其扩散长度。这些特性对于提高电荷分离效率至关重要。通过瞬态吸收光谱（Transient Absorption Spectroscopy, TAS）数据的全局拟合分析，研究团队发现，B-2MN的引入显著增加了由电荷转移（Charge Transfer, CT）态介导的激子解离路径的比例。这一结果表明，CT态介导的激子解离不仅能够有效促进电荷生成，还能在SD-OSCs中实现高效的能量转换。

值得注意的是，研究团队发现，CT态介导的激子解离与给体-受体分子内离域激子（Intra-moiety Delocalized Excitations, i-DEs）介导的激子解离在电荷生成过程中同样重要。这一发现挑战了传统观点，即认为i-DEs是主要的电荷分离机制。通过对PM6:L8-BO和PM6:D18:L8-BO两种器件体系的测试，研究团队成功实现了PCE分别为19.53%和20.50%的高性能OSC。此外，这些器件表现出优异的热稳定性，其T80（80°C下80%保持时间）超过了5000小时，这表明B-2MN不仅提升了器件的光电性能，还显著增强了其在高温环境下的稳定性。

本研究不仅提供了一种实用的VSA选择指南，还为理解VSAs在SD-OSCs中调控电荷生成路径的机制提供了新的视角。通过系统地分析VSA的物理性质及其对活性层形貌的影响，研究人员揭示了电荷生成过程中多种路径的协同作用。这一成果为未来高效、稳定OSC的设计和制造提供了重要的理论依据和技术支持。

在实际应用中，SD-OSCs因其结构可控性和更高的能量转换效率而被认为是一种有潜力的高效光伏架构。然而，目前关于如何优化其性能的研究仍存在诸多挑战。例如，如何在不影响器件稳定性的前提下，实现活性层的精细调控；如何平衡电荷传输效率与激子寿命之间的关系；以及如何选择适合不同材料体系的添加剂等。这些问题的解决需要更深入的理论研究和实验探索。

通过本研究，研究人员不仅提出了一个基于物理特性的VSA选择框架，还验证了其在实际器件中的有效性。这一框架的核心在于利用VSA的偶极矩和T_loss值来指导其在SD-OSCs中的应用。偶极矩是衡量分子极性的重要参数，它能够影响分子间的相互作用力和排列方式。而T_loss则决定了添加剂在加工过程中的挥发行为，从而影响其在活性层中的残留量。通过控制这两个参数，可以实现对活性层形貌的精确调控，进而优化电荷生成路径。

此外，本研究还强调了CT态介导的激子解离在SD-OSCs中的重要性。传统观点认为，i-DEs是主要的电荷分离机制，而CT态介导的路径通常被认为效率较低。然而，实验结果表明，B-2MN的引入能够显著提升CT态的占比，从而增强电荷分离效率。这一发现为未来研究提供了新的方向，即在SD-OSCs中，除了关注i-DEs之外，还应重视CT态的作用。这可能意味着，未来的OSC设计需要综合考虑多种电荷分离机制，以实现更高的性能。

从材料科学的角度来看，本研究的成果为新型VSA的开发提供了理论基础。通过分析不同VSA的偶极矩和T_loss值，研究人员可以预测其在特定材料体系中的性能表现。例如，高偶极矩的VSA可能更适合用于需要增强分子间相互作用的材料体系，而适当的T_loss值则可以确保添加剂在加工过程中被有效去除，避免残留对器件性能的负面影响。这种基于物理特性的选择方法，不仅提高了VSA筛选的效率，还增强了器件性能的可预测性和可重复性。

在工业应用方面，本研究的成果对于推动OSC的大规模生产和商业化具有重要意义。由于OSC的溶液加工特性，其生产成本相对较低，但要实现高质量的生产，仍需解决形貌控制和稳定性问题。B-2MN的引入为这些问题提供了有效的解决方案，因为它不仅能够优化活性层的微观结构，还能显著提升器件的热稳定性。这表明，B-2MN有望成为一种适用于多种材料体系的通用型VSA，为未来的OSC制造提供更多的灵活性和选择空间。

在环境和可持续性方面，OSC作为一种柔性、轻质的光伏技术，具有广阔的应用前景。然而，其大规模应用仍面临一些挑战，例如如何减少生产过程中的能耗和材料浪费，以及如何提高器件的耐久性。本研究中提到的B-2MN由于其高挥发性和良好的热稳定性，有望在这些方面发挥积极作用。此外，由于B-2MN能够有效提升器件的光电性能，其使用可能减少对高成本材料的依赖，从而进一步降低生产成本，提高OSC的经济可行性。

在研究方法上，本研究采用了多种实验手段来验证VSA的作用机制。例如，通过光物理表征技术，研究人员能够分析激子寿命、扩散长度以及电荷转移态的占比。这些数据不仅有助于理解B-2MN对活性层结构的影响，还能为其他VSA的筛选和优化提供参考。此外，通过全局拟合TAS数据，研究人员能够更准确地量化不同电荷生成路径的贡献，从而揭示CT态介导的激子解离在SD-OSCs中的重要性。

综上所述，本研究通过提出一个基于物理特性的VSA选择框架，成功筛选出一种高效的VSA——B-2MN，并验证了其在SD-OSCs中的应用效果。这一研究不仅为提高OSC的性能提供了新的思路，还为未来的材料设计和器件优化奠定了坚实的理论基础。随着对VSA作用机制的进一步理解，有望开发出更多适用于不同材料体系和应用场景的高效添加剂，从而推动有机光伏技术的持续发展和广泛应用。