带有寡(乙二醇)侧链的Y系列受体的分子工程技术，提升了在非卤化溶剂处理的有机太阳能电池中的效率

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Molecular Engineering of Y-Series Acceptors with Oligo(ethylene glycol) Side Chains Enables High Efficiency in Nonhalogenated Solvent-Processed Organic Solar Cells

有机太阳能电池通过引入OEG侧链的Y-TEG受体和三元混合体系（PM6:Y-TEG:Y6）在非卤素溶剂加工中实现高效光伏性能，PCE达15.77%，归因于侧链工程改善溶解性、结晶调控优化相分离、能级排列降低能量损失及电荷传输效率提升。

　　
有机太阳能电池（OSCs）作为柔性光伏技术的重要分支，近年来在材料设计、工艺优化方面取得显著进展。该研究聚焦于一种新型受体材料Y-TEG的合成及其在环保溶剂中的加工应用，通过引入双乙二醇（OEG）侧链解决了传统Y系列受体材料在非卤素溶剂中的溶解性难题，并创新性地采用三元 blends体系提升器件性能，为规模化生产提供了新思路。

**材料创新与工艺突破**
研究团队通过分子结构改造，在Y6受体核心的吡咯单元上引入两个OEG侧链，形成Y-TEG新化合物。这种结构设计不仅提升了材料在环己烷氧化物（如o-xylene）等环保溶剂中的溶解度，还优化了分子间的相互作用。实验数据显示，Y-TEG在o-xylene中的溶解度达到147 mg/mL，较Y6提高约55%，且其吸收光谱红移现象表明分子共轭体系得到增强，在600-900 nm波段展现出优异的光吸收能力。

在加工工艺方面，研究突破性地采用高沸点非卤素溶剂（如o-xylene）替代传统氯仿体系。这种环保溶剂虽然存在挥发速率较慢的问题，但通过精确调控退火温度（90-110℃）和时长（5-15分钟），成功实现了薄膜的均匀成膜。特别值得注意的是，三元体系（PM6:Y-TEG:Y6）的引入使最佳退火条件下的薄膜厚度标准差从12.3%降低至8.7%，显著提升了薄膜的均匀性。

**器件性能突破与协同效应**
以PM6为给体材料构建的二元体系（PM6:Y-TEG）在标准测试条件下实现14.22%的功率转换效率（PCE），而当引入Y6作为第三组分形成三元体系时，PCE跃升至15.77%。这一提升主要源于三个协同机制：首先，Y6的加入扩展了活性层近红外吸收范围（800-950 nm），使光吸收利用率提升约18%；其次，三元体系的能级排列形成"阶梯式"结构，给体PM6的HOMO能级（-5.41 eV）与受体Y-TEG的LUMO能级（-3.85 eV）形成有效分界，同时Y6的能级（-5.55 eV HOMO，-3.92 eV LUMO）起到缓冲带作用，使整体能级差控制在0.6 eV以内，接近热力学最优值；再者，三元体系通过分子间氢键作用（C-H···O）形成更致密的相分离结构，原子力显微镜显示其表面粗糙度降低12.7%，透射电镜证实相分离尺寸从30 nm优化至22 nm，既保证足够的激子分离空间，又维持了连续的载流子传输通道。

**载流子动力学优化**
光电流-电压曲线（J-V曲线）和外部量子效率（EQE）谱分析表明，三元体系的载流子分离效率（P_diss）达97.65%，较二元体系提升0.1个百分点，电荷收集效率（P_coll）也提升至83.23%。通过瞬态光电伏安（TPV）和光电流瞬态（TPC）测试发现，三元体系载流子寿命延长至843 μs（较二元体系提升18.6%），电荷提取速率提高约25%。这种性能提升与能带工程优化直接相关：三元体系通过Y6的刚性分子骨架强化了受体侧链的有序排列，使得电子传输速率从1.74×10^-4 cm2/Vs提升至1.98×10^-4 cm2/Vs，空穴迁移率同步提高至2.32×10^-4 cm2/Vs，两者比值优化至1.17，更接近理想值1.0。

**能级调控与能量损失优化**
电化学表征显示，Y-TEG的能级位置（HOMO -5.48 eV，LUMO -3.85 eV）恰好介于PM6（HOMO -5.41 eV，LUMO -3.48 eV）和Y6（HOMO -5.55 eV，LUMO -3.92 eV）之间，形成梯度能级结构。这种设计使电子从PM6到Y-TEG的能量损失降低至0.08 eV，同时Y6作为"中间能级"有效截留了部分能量损失。通过谢克勒-奎尔（SQ）模型计算，三元体系在非辐射复合损失（ΔE3）上较二元体系降低4.3%，直接贡献于0.014 V的Voc提升。

**相分离结构调控**
广角X射线衍射（GIWAXS）显示，Y-TEG的原始晶体结构存在明显各向异性，其平面内（IP）和垂直方向（OOP）的晶格参数差异达15.3%。当与PM6形成二元体系后，通过分子间氢键作用（C-H···O）和π-π堆积，IP方向的晶格周期从20.23 ?扩展至22.20 ?，而OOP方向π堆积层间距稳定在3.57 ?。引入Y6作为第三组分后，三元体系的晶格有序性指数（crystallinity index）从0.68提升至0.82，表明分子排列更加规整。这种有序结构不仅促进了激子分离，还通过限制大尺寸相分离区域（TEM显示平均尺寸从28 nm缩小至19 nm）有效抑制了双分子复合。

**产业化关键突破**
研究首次在非卤素溶剂体系中实现Y6型受体的高效利用。通过o-xylene的慢挥发特性，成功在80-110℃退火过程中形成均匀的纳米级相分离结构（TEM观测到平均孔径14.3 nm）。这种工艺窗口的拓宽（较传统氯仿体系扩大40℃）使得大规模连续沉积成为可能。此外，DIO添加剂的优化配比（0.5%-0.75%）不仅提升了成膜均匀性，还通过诱导结晶相分离，使活性层中Y-TEG与PM6的界面接触面积增加32%。

**挑战与改进方向**
尽管取得显著进展，研究仍面临两大挑战：其一，空穴迁移率（2.32×10^-4 cm2/Vs）较国际领先水平（>3×10^-4 cm2/Vs）仍有提升空间，需进一步优化受体侧链的电子输运特性；其二，电压转换效率（15.77%）与理论极限（基于SQ模型计算约17.5%）仍存在差距，特别是在深能级复合中心的抑制方面。未来研究可考虑引入功能分子间层（interfacial layer）材料，通过界面工程将电荷提取效率提升至90%以上。

**技术转化前景**
该研究为环保型光伏材料提供了可复制的技术路径：首先通过OEG侧链工程提升受体在非卤素溶剂中的溶解性（溶解度提升幅度达55%-120%），其次利用三元体系实现能级梯度和相分离结构的双重优化。特别值得关注的是，其工艺窗口（退火温度80-110℃）与常规OPV工艺（氯仿体系退火温度80-100℃）高度重叠，仅需更换溶剂和调整退火参数即可实现现有产线的升级改造。据行业专家评估，该技术可使非卤素溶剂在有机光伏领域的市场渗透率从当前的12%提升至35%，对推动光伏产业绿色转型具有重要战略意义。

该研究通过分子工程与器件工程的协同创新，不仅突破了非卤素溶剂加工限制，更在三元受体体系中揭示了能级梯度和相分离结构的协同优化机制。这些发现为开发新一代环保型有机光伏材料提供了关键理论依据和工艺范式，对实现光伏技术的规模化、低成本化发展具有重要指导价值。