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  有機太陽能電池因其質量輕、可溶液加工、適用于柔性基底等優點而備受關注。廣泛的深入研究已使得有機太陽能電池的光電轉換效率突破18%，與商業化的硅電池效率相當。從本質上理解其高性能是最終實現有機太陽能電池技術商業化的關鍵。在早期，單組分有機太陽能電池由于活性層與電極之間形成肖特基接，無法有效進行激子解離，光電轉換效率不足個位數。隨后的平面異質結有機太陽能電池通過給、受體分別與正負極接觸，避免了肖特基結構問題。盡管效率有所提升，但是有限的給受體界面以及有機半導體固有的較短激子傳輸距離（10-20 nm）嚴重阻礙了平面異質結有機太陽能電池的光電轉換效率的提升。后來發展的本體異質結通過直接將給受體材料共混作為活性層，大大增加了給受體界面，有效促進了激子分離；同時，給受體材料的自發相分離產生雙連續的網絡結構，提供了載流子的快速傳輸通道（圖1a 左）。因此，有機太陽能電池的光電轉換效率得到大幅提升，本體異質結結構也成為目前有機太陽能電池的主要結構。然而，本體異質結有機太陽能電池的器件性能很大程度上依賴活性層的納米相分離。然而納米相分離難以調控，且對材料的性質以及器件制備條件非常敏感，這一問題在制備大面積器件時尤為突出。近年來，通過分步溶液涂布制備的準平面異質結結構獲得了較多關注（圖1a 中）。準平面異質結的納米相分離也難以精準控制，給受體界面也相對有限，不利于器件性能的進一步提升。就同時實現高效激子解離和電荷傳輸而言，給受體交互型本體異質結結構是最為理想的活性層結構（圖1a 右）。然而，迄今為止還沒有一種很好的方法來實現這樣的高性能活性層結構。

  針對這一難題，四川大學彭強教授團隊通過在給體溶液中加入微量蠟添加劑的方式，簡單有效地制備出了高性能的給受體交互型本體異質結結構，顯著提升了有機太陽能電池的光電轉換性能。所制備的基于PM6給體和L8-BO受體的非富勒烯有機太陽能電池器件效率高達18.74%，高于目前主流的本體異質結結構有機太陽能電池（18.10%）。

圖 1. （a）有機太陽能電池的三種典型結構示意圖：本體異質結（BHJ）結構、準平面異質結（Q-PHJ）器件結構以及交互型本體異質結（IHJ）結構；（b）PM6和L8-BO的化學結構式；（c）交互型本體異質結（IHJ）結構活性層的制備示意圖

  該團隊研究發現，在給體PM6的溶液中加入微量與PM6不互融的蠟（para film）添加劑，會誘導在成膜過程中發生相分離，促使PM6納米線以及蠟納米液滴的形成。在成膜后期，隨著納米液滴中氯苯溶劑的揮發，使得PM6薄膜形成納米多孔結構（圖2b）。隨后將L8-BO受體溶液涂布在該多孔薄膜上，受體填充到納米孔道中，最終形成交互型本體異質結結構。動態X-射線光電子能譜測試證實了受體材料有效填充了這些納米孔道。這樣在增加給受體接觸面積的同時，也保證了載流子的高效傳輸，完美實現了激子的高效解離和載流子的高效傳輸，從而大幅提升了器件的光電轉換效率（18.74%）。與之相比，給受體直接共混的本體異質結器件效率以及不使用添加劑制備的準平面異質結器件的效率相對較低，分別為18.10%和17.21%。該團隊同時對該方法進行了普適性研究，在PBDTS-TDZ/IT-4F、PBDTSF-TZNT/IT-4F以及PNDT-ST/Y6-T體系中均獲得了相同的規律。研究結果表明，通過加入蠟添加劑形成納米多孔結構是制備高性能具有交互型本體異質結活性層結構有機太陽能電池的簡單有效方法。該研究為進一步發展高效有機太陽能電池提供了新的器件結構形式。

圖2. 三維原子力顯微鏡高度圖：（a）PM6純膜、（b）蠟添加劑導致多空道的PM6薄膜、（c）PM6:L8-BO共混膜；基于PM6給體以及L8-BO受體的不同活性層結構的動態X-射線光電子能譜：（d）準平面異質結結構、（e）交互型本體異質結結構、（f）本體異質結結構

  該研究成果于近日發表在Advanced Functional Materials上。論文的第一作者為四川大學化工學院研究員徐小鵬博士，通訊作者為彭強教授，共同通訊作者為澳大利亞新南威爾士大學（University of New South Wales）戴黎明教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108797