固体添加剂调控自发铺展法制备有机光伏电池的界面张力与形貌优化研究

这篇研究通过引入芳香族固体添加剂（如菲PAT）调控绿色溶剂邻二甲苯（o-xylene）的界面张力，实现了水面上均匀自发铺展（SS）薄膜的制备。研究发现PAT可延缓湿膜干燥时间、抑制受体过度聚集并优化相分离形貌，最终使有机光伏（OPV）器件效率提升至16.4%，为溶液加工型OPV的可控制备提供了新策略。

　　

引言

自发铺展（SS）工艺为有机光伏（OPV）的溶液加工提供了一种开放环境下的高效制备方法，但其发展受限于薄膜厚度不均和相形态调控困难。传统旋涂法存在材料浪费问题，而SS工艺利用马兰戈尼流（Marangoni Flow）实现快速成膜，但需通过添加剂工程优化界面张力与结晶动力学。本研究首次系统探索固体添加剂在SS工艺中的作用，以菲（PAT）为代表分子，实现了活性层形貌与器件性能的协同提升。

结果与讨论

固体添加剂的筛选与界面特性

通过对比不同芳香族分子（如1,4-二碘苯DIB、萘Nap、蒽An等），发现三苯环结构的PAT具有最低溶液表面张力（26.5 mN·m^-1）和独特的分散力（γ_d=24.72 mN·m^-1）。密度泛函理论（DFT）计算显示，PAT的弱偶极矩（0.0467 D）和C_2V对称性增强了其与受体Y6中氰基的相互作用，从而调控界面行为。

薄膜形成动力学

原位吸收光谱显示，PAT将PM6:Y6溶液的成膜时间从9秒延长至14秒，并抑制Y6吸收峰红移（715→755 nm），表明其延缓结晶过程。荧光光谱进一步证实PAT加速激子猝灭，促进均匀相分离。热重分析（TGA）表明PAT在156°C挥发，而差示扫描量热法（DSC）揭示其更显著抑制Y6熔融焓（ΔH_m从3.1降至8.37 J·g^-1），说明对受体结晶的调控优势。

垂直相分布与器件性能

薄膜深度依赖光吸收（FLAS）表明，PAT使活性层给受体比例（D:A）在垂直方向分布更均匀（0.5-1.5），而对照组PM6在水界面富集（D:A=15）。GIWAXS分析显示PAT缩短π-π堆叠距离（d₀₁₀），提升面外取向结晶相干长度（CCL）。原子力显微镜（AFM）证实PAT将表面粗糙度从18.24 nm降至3.709 nm，消除百纳米级相分离。最终，含10 wt% PC₇₁BM和90 wt% PAT的SS-OPV器件获得16.4%的冠军效率（V_OC=0.814 V，J_SC=25.5 mA·cm^-2，FF=78.9%）。

热退火调控机制

原位退火光谱显示，PAT使Y6吸收峰从755 nm逐渐红移至810 nm（110°C/2 min），表明其动态引导分子有序化。过度退火（>2 min）会导致V_OC下降，说明PAT挥发后需精确控制热处理窗口。

结论

本研究首次将固体添加剂应用于SS工艺，通过PAT调控界面张力与成膜动力学，实现了高效、可重复的OPV制备。该策略为绿色溶剂加工和大面积器件开发提供了新思路，未来可通过分子设计进一步优化添加剂挥发性和结晶导向能力。

实验方法

活性层采用PM6:Y6:PC₇₁BM（1:1.2:0.12）共混体系，以邻二甲苯为溶剂，通过水面上25 μL液滴自发铺展成膜。器件结构为ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINN/Ag，退火条件优化为110°C/2分钟。表征手段涵盖接触角测量、X射线光电子能谱（XPS）、掠入射广角X射线散射（GIWAXS）等。