通過引入第三組份來構筑三元體系活性層，是近年來獲得高性能有機太陽能電池的有效途徑。然而與二元體系相比，三元體系相組裝行為更為復雜，它高度依賴于第三組份的結構和性質，以及它與其他組分的相容性和相互作用。同時，與二元體系相比，三元體系中多相形態的穩定性也是值得關注的一個重要問題。
南昌大學陳義旺研究團隊諶烈教授提出了一種低聚物輔助光活性層的新概念，利用低聚物與主體聚合物結構的相似性和性能的互補性來調控活性層性能。合成了PM6主體聚合物的四種低聚物：二聚體DA、三聚體ADA、DAD和四聚體DADA，并作為第三組分加入到活性層中。一方面，低聚物輔助光活性層具有三元體系的特點；另一方面，嚴格來說，低聚物輔助的光活性層其實是一個準二元體系，因為加入的低聚物與主體聚合物具有相同的結構單元，只是分子量不同。低聚物與其主體聚合物PM6之間的結構相似性可以形成合金單相，不但有效調控主體聚合物的能級并誘導分子有序堆積，而且還可以避免三元體系中第三組分的結構差異造成的許多不利影響。因此，新型低聚物輔助光活性層結合了三元和二元體系的優點，提升了器件的整體性能，包括效率和穩定性。 通過DFT模擬計算與CV測試，都可以看出隨著低聚物的結構單元數量減少，HOMO能級逐漸降低，這有助于獲得更高的開路電壓。另外在加入了低聚物之后薄膜的吸收系數有所增強，促使短路電流提高。從DSC、CV和GIWAXS測試發現，低聚物不但與PM6可以形成合金單相，而且可以誘導PM6結晶性。從GIWAXS測試結果還可以看出，低聚物可以在一定程度上促進PM6與Y6的相溶性，從而獲得更有利的激子解離與電荷傳輸。 添加低聚物ADA后，PM6:Y6、PM6:BTP-eC9和PM6/Y6偽雙層的器件效率分別為17.33%、18.32%和17.13%，明顯優于未添加的活性層體系。器件性能的提升源于活性層優化的能級、增強的光吸收、優化的活性層、有利的電荷動力學和減少的非輻射能量損失。此外，與對照器件相比，添加ADA低聚物的器件的光穩定性得到了改善。 簡而言之，該團隊提出了一種新的低聚物輔助法來構建高效穩定的有機太陽電池，并且在基于PM6體系中得到了充分展示。低聚物輔助法對于大多數有機太陽電池來說是一種簡便通用的策略，因為它有效地解決了有機太陽電池普遍存在的關鍵問題。同時，低聚物的設計和合成不需要刻意或巧妙的設計，只是遵循主體聚合物的結構并通過常規偶聯方法制備。因此，該方法是一種實現有機太陽電池的整體性能提升的簡單而有效的普適性策略。 論文信息 Oligomer-Assisted Photoactive Layers Enable >18?% Efficiency of Organic Solar Cells Yujun Cheng, Prof. Bin Huang, Xuexiang Huang, Lifu Zhang, Seoyoung Kim, Qian Xie, Chao Liu, Thomas Heumüller, Zuoji Liu, Youhui Zhang, Prof. Feiyan Wu, Prof. Changduk Yang, Prof. Christoph J. Brabec, Prof. Yiwang Chen, Prof. Lie Chen 論文的第一作者為南昌大學博士生程毓君，共同第一作者為江西理工大學黃斌副教授，通訊作者為南昌大學諶烈教授。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202200329
