有机太阳能电池（OSCs）技术因其具有轻质、本征柔性和可溶液加工的独特优势而成为了一种充满前景的可持续绿色能源技术。有机太阳能电池所取得的效率突破不仅依赖于材料的创新，还依赖于一系列的器件制备设计策略。其中，固体添加剂因其在提高有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）方面具有众多吸引人的优势而备受关注。迄今为止，领域内已报道了多种选择或设计非挥发性固体添加剂的策略。然而，缺乏开发非挥发性固体添加剂的通用设计/评估原则往往导致每种固体添加剂仅能提供一至两点提高OSCs光电转换效率的属性。
近日，兰州大学张浩力教授团队提出了一种用于非挥发性固体添加剂的一体化全向设计策略。通过在张浩力教授课题组发展的特色基础结构——4, 5, 9, 10-芘二酰亚胺（PyDI）体系上验证该方法，设计了一种新型的非挥发性固体添加剂PyMC5，并基于该分子将二元有机太阳能电池的光电转换效率提升至19.52%。同时，PyMC5的加入提高了器件的光、热稳定性，证实了该设计策略在提升有机太阳能电池综合性能上的优势。
作者系统对比探究了依托该策略设计的非挥发性固体添加剂PyMC5及未依托该策略设计的非挥发性固体添加剂PyDC5在二元有机太阳能电池中的作用机制。与PyDC5相比，PyMC5具有与基于Y系列受体的活性层互补的吸收、与活性层组分级联的能级、与活性层体系的适宜的相互作用、高结晶性和更高的固态荧光量子产率等优点。研究表明，非挥发性固体添加剂PyMC5可以在PM6:Y6或PM6:L8-BO活性层体系中构建协同的双电荷转移通道、降低非辐射开路电压损失和改善薄膜形貌，同时其与活性层组份更为适当的相互作用可以有效提升相应器件的光、热稳定性，综合性能远优于PyDC5。
该工作表明，在同时考虑非挥发性固体添加剂的吸收/发射范围、能级、结晶性、与基于Y系列受体的活性层的相互作用以及固态荧光量子产率后，开发具有适当π共轭体系（吸收范围300-500 nm）、轻微扭曲的平面结构和较大的偶极矩的n-型小分子是设计多功能非挥发性固体添加剂的一种一体化全向设计策略。
论文信息
Integrated Omnidirectional Design of Non-Volatile Solid Additive Enables Binary Organic Solar Cells with Efficiency Exceeding 19.5 %
Ya-Ting Wang, Wen-Jing Sun, Prof. Yamin Zhang, Bo-Yang Zhang, Yun-Tao Ding, Ze-Qi Zhang, Dr. Lingxian Meng, Kexin Huang, Prof. Wei Ma, Prof. Hao-Li Zhang
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202417643
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