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Alkyl-Chain Engineering and Synergistic Annealing Enable Enhanced Performance in Non-Fullerene Organic Solar Cells

本研究表明，通过在基于氧化吲哚的非富勒烯受体中设计支链烷基侧链（特别是辛基取代的 WH7），并结合溶剂和热退火的协同作用，通过优化共混形貌并平衡电荷传输，显著将有机太阳能电池的性能提升至 8.21%。

原作者： Kai Wang, Bo Zhang, Jun Huang

发布于 2026-09-29

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原作者： Kai Wang, Bo Zhang, Jun Huang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

太阳能电池是通往更清洁未来的静默引擎，它们捕捉阳光并将其转化为电能。几十年来，这些设备最高效的版本一直依赖于坚硬且易碎的材料，这些材料制作成本高昂且难以塑形。近年来，科学家们将注意力转向了有机太阳能电池，这种电池由碳基分子构建，可以像墨水一样印刷在柔性薄片上。这些设备轻便、适应性强，有望为从可穿戴电子设备到建筑集成窗户的一切事物提供动力。然而，要使它们真正发挥作用，研究人员必须解决一个持久的谜题：如何排列细胞内部的微小分子，使它们完美地协同工作。这些电池的效率很大程度上取决于材料的微观结构，特别是分子的堆叠方式以及电荷在其中移动的难易程度。即使是分子形状的微小变化，也会改变这种内部景观，要么帮助电荷平滑流动，要么导致电荷滞留和流失。

在最近的一项研究中，来自中国的研究团队探索了一种微调这种分子结构的方法。他们专注于一种被称为非富勒烯受体（non-fullerene acceptors）的材料类别，这是现代有机太阳能电池的关键组成部分。这些分子充当吸收光线并释放电荷的“海绵”。研究人员设计了三种新版本的分子，并将它们命名为 WH7、WH11 和 WH17。虽然这三种分子的核心结构完全相同，但研究人员在分子的末端连接了不同的侧链。可以将这些侧链想象成不同类型的衣服；有些又长又直，而有些则较短且带有分叉。团队想要观察改变这些侧链的形状和长度是否会改变分子的堆叠方式以及由此产生的太阳能电池性能。他们将每种新分子与一种名为 PTzBI 的常见伙伴材料配对，以创建一个薄膜，该薄膜作为产生电力的活性层。

初步测试表明，侧链的形状具有显著影响。拥有最长、最直侧链的分子 WH7 从一开始就产生了最好的结果，实现了 6.64% 的光电转换效率。另外两种版本（具有较短或更具分叉性的侧链）的表现略逊一筹，效率分别为 6.21% 和 5.53%。研究人员怀疑性能差异是由分子的排列方式引起的。较直的链条使分子能够更整齐地堆叠在一起，为电力的传输创造了更平滑的路径。相比之下，体积较大的分叉链似乎破坏了这种有序性，导致分子与其伙伴过度分离，从而创造了一个更粗糙、效率更低的表面。

为了进一步提升这些结果，团队应用了一种称为溶剂蒸气退火（solvent vapor annealing）的技术。这一过程涉及将薄膜暴露在温和的溶剂蒸气雾气中，使分子能够蠕动并重新排列成更优化的构型，然后再通过加热将其固定。这一步骤就像是对乐器进行最后的调音。对于 WH7 器件，这种处理具有变革性的意义。其效率从 6.64% 跳升至惊人的 8.21%。这种提升源于两个主要因素：器件能够收集更多的电流，并且保持了更高的电压。研究人员发现，经过处理的薄膜具有更光滑的表面和更平衡的电荷流动。电荷可以自由移动，而不会被困住或发生复合——复合是正负电荷在被利用前相互抵消的一个常见问题。

该研究还清晰地展示了为什么其他两种分子在经过同样的处理后表现仍然不佳。具有最多分叉侧链的分子 WH11 在正负电荷移动方面表现出显著的不平衡。这种不平衡意味着一种类型的电荷移动速度远快于另一种，从而导致了交通拥堵以及电荷丢失概率的增加。而具有最短侧链的分子 WH17 即使在处理后也难以形成光滑的表面，这限制了其产生强电流的能力。研究人员通过测量薄膜表面的粗糙度并追踪电荷在其中的移动速度，证实了这些观察结果。他们发现，经过处理后的 WH7 薄膜拥有最光滑的表面和最平衡的电荷传输，这与其卓越的性能直接相关。

这项工作为太阳能的未来提供了一个至关重要的见解：分子设计的细节至关重要。通过仅仅改变分子末端的侧链，研究人员能够控制材料在微观层面的行为。他们证明了针对分子末端而非仅仅针对中心进行设计，是提高效率的一种强大策略。虽然 8.21% 的效率尚未达到此类技术的最高水平，但研究证明，通过精细的侧链工程结合简单的后处理技术，可以实现显著的增益。研究结果表明，更优质的太阳能电池之路在于理解并操纵分子之间微妙的相互作用，确保它们以一种能够最大化能量流动的形式进行堆叠。

技术摘要：非富勒烯有机太阳能电池中的烷基链工程与协同退火技术

问题陈述
虽然侧链工程是优化有机太阳能电池（OSCs）中非富勒烯受体（NFAs）的一种公认策略，但现有研究主要集中在修改分子中心核上的侧链。在理解锚定在末端基团上的烷基链如何影响分子堆叠、能级和共混形貌方面，仍存在显著的研究空白。此外，优化活性层形貌通常需要后处理策略，以克服过度相分离和电荷传输不平衡等限制器件效率的问题。

方法论
本研究通过结合分子设计与后处理优化的方法来解决这些问题：

分子设计： 合成了三种新型 A-D-A 型非富勒仑受体（WH7、WH11 和 WH17），它们基于一种基于氧化吲哚的 $\pi$ $π$ -桥。其核心变量是连接在末端吲哚啉单元上的支链烷基：
- WH7： 辛基吲哚啉侧链。
- WH11： (2-乙基己基)吲哚啉侧链。
- WH17： 丁基吲哚啉侧链。
器件制备： 将这些受体与宽带隙聚合物给体 PTzBI 共混形成本体异质结（BHJ）活性层。器件采用传统的 ITO/PEDOT:PSS/活性层/PFN-Br/Ag 配置进行制备。
后处理： 为了优化形貌，薄膜经历了使用氯苯（CB）的溶剂蒸气退火（SVA），随后进行热退火（TA）。
表征： 研究采用了 UV-vis 吸光光谱、循环伏安法（CV）、热重分析（TGA）、空间电荷限制电流（SCLC）测量以评估电荷迁移率，以及原子力显微镜（AFM）进行表面形貌分析。通过光强依赖性的 $J_{sc}$ 和 $V_{oc}$ 测量来评估复合机制。

关键结果

光电性质： 所有三种受体在 500–750 nm 范围内均表现出强吸收，与 PTzBI 给体具有互补性。能级受侧链影响略有调节；由于 2-乙基己基的位阻效应导致分子构象发生扭转，WH11 表现出最显著的 HOMO 下移和 LUMO 上移。
光伏性能：
- 无 SVA 时： 初始器件表现出中等效率，WH7:PTzBI 达到 6.64%，WH11:PTz 达到 6.21%，WH17:PTzBI 达到 5.53%。
- 使用 SVA+TA 后： 所有体系的性能均得到显著提升。基于 WH7 的器件脱颖而出，实现了 8.21% 的最大光电转换效率（PCE）（代表性 SVA+TA 器件 PCE 为 8.02%），其开路电压 ( $V_{oc}$ ) 为 0.79 V，短路电流密度 ( $J_{sc}$ ) 为 16.00 mA cm $^{-2}$ ，填充因子 (FF) 为 63.28%。
- 对比性能： WH11 和 WH17 器件分别达到了 7.16% 和 6.45% 的最大 PCE。
机制见解：
- 电荷传输： SCLC 分析显示，经过 SVA 处理后，WH7 基器件表现出更平衡的正电荷和电子迁移率 ( $\mu_h/\mu_e \approx 20$ )，而 WH11 则为 $\mu_h/\mu_e \approx 81$ 。WH7 器件在处理后表现出最高的绝对迁移率 ( $\mu_h = 3.49 \times 10^{-4}$ cm $^2$ V $^{-1}$ s $^{-1}$ , $\mu_e = 1.75 \times 10^{-5}$ cm $^2$ V $^{-1}$ s $^{-1}$ )。
- 形貌： AFM 成像表明 SVA 降低了活性层的均方根（RMS）粗糙度。与 WH11 相比，基于 WH7 的薄膜具有更小的聚集体和更均匀的表面，这表明线性的辛基链比体积较大的 2-乙基己基链更有利于实现理想的相分离和分子堆叠。
- 复合： 光强依赖性研究表明，WH7 器件具有更高的 $J_{sc}$ 指数 ( $\alpha = 0.99$ )，而 WH11 为 $\alpha = 0.97$ ，这表明双分子复合受到了抑制。

意义与主张
作者声称，这项工作提供了一个引人注目的范例，展示了末端基团侧链工程——与中心核修饰相比，这是一个被忽视的领域——如何有效地调节分子堆叠和共混形貌。研究表明，在末端吲哚啉单元上选择特定的烷基链（辛基 vs. 2-乙基己基 vs. 丁基）直接决定了电荷传输的平衡度和相分离的程度。

此外，论文强调了协同退火（先 SVA 后 TA）是一种简单且有效的手段，可以通过优化薄膜形貌和电荷传输特性来进一步提高效率。研究结论指出，对侧链（特别是末端基团上的侧链）进行理性设计，并结合与给体材料的精心匹配及后处理，为实现更高性能的非富勒烯有机太阳能电池提供了可行路径。

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