第一作者：李瑶

通讯作者：吴佳莹

通讯单位：香港科技大学（广州）

论文DOI：10.1002/adma.202409212

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该论文着重探索了单分子双揽聚合物（double cable polymers, DCPs）比相应二元共混物优异的高能量转换效率（PCE）归因于其减缓的复合速率。该减缓的复合速率来源于两个原因：a) DCPY2 的物理屏障限制了供体和受体单元的电子波函数重叠，导致电子和空穴在空间上分离得更开，从而抵抗复合（如图 6 所示）；b) DIO 添加剂进一步协助 DCPY2 中的受体聚集，使电荷离域化克服库仑吸引力，从而抑制双核和非孪生复合。因此，调节供体和受体界面对于减少电荷复合同时保持高效电荷产生至关重要。

背景介绍

近年来，有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）的研究取得了长足进展，其光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）已接近20%，然而其大规模商业化进程仍然受限于高性能二元系统复杂的制备工艺和长期运行的热力学不稳定性。传统的体异质结（Bulk Heterojunction, BHJ）有机太阳能电池在连续光照下会出现严重的相分离现象，降低了器件的稳定性和效率。为解决这些挑战，研究人员正在探索单组分有机太阳能电池（Single-Component Organic Solar Cells, SCOSCs）的新型材料和设计策略。

双缆聚合物由共轭供体主链和悬挂受体组成，分别允许两个隔离信道用于电子和空穴传输。早期使用苝双酰亚胺受体的 DCP 材料表现出中等性能（< 10%），但最近采用 Y 型受体的 DCP（例如 DCPY2，图 1a）已实现高达 13.85% 的高PCE。与传统 BHJ 相比，DCP 由于其共价键合的供体和受体片段而表现出优异的稳定性，并抑制了纳米相分离。然而，供体和受体之间的化学连接体限制了它们的聚集行为，导致更多的混合域。因此，SCOSC 的光伏性能与二元对应物有显着不同。

研究出发点

与传统 BHJ 相比，DCP 由于其共价键合的供体和受体片段而表现出优异的稳定性，并且抑制了纳米相分离。然而，供体和受体之间的化学连接体限制了它们的聚集行为，导致更多的混合域。因此，SCOSC 的光伏性能可能与二元对应物有显著不同。在 BHJ 中，合理控制纳米相分离对于平衡电荷产生和收集至关重要。受体聚集有助于电子波函数的离域，抑制成对复合。除了减少成对复合外，大的纳米相分离还有利于电荷收集，因为它降低了非成对复合率并促进了晶体和渗透域中的电荷传输。然而，过度聚集的供体或受体域会减少电荷分离通道的供体/受体 (D/A) 界面。因此，精细控制供体/受体界面对于实现高效电荷产生至关重要，同时保持足够的受体聚集以实现高效电荷收集，最终实现具有高 FF 的高性能 SCOSC。

先前对 DCP 形貌优化的研究也集中在分子尺度上，通过改变连接体长度或附着受体与供体骨架的比例来实现。然而，对 DCP 基 SCOSC 的结构-形貌-性能关系的全面了解仍然不足。DCPY2 作为代表性 SCOSC 材料，表现出优异的性能，但其微观结构需要进一步分析，与传统二元体系相比，人们对其载流子动力学知之甚少。

研究内容

在此，我们旨在了解使用和不使用 DIO 处理的单组分材料 DCPY2 及其二元共混物（PBDBT：Y-O6，图 1a）的不同光伏性能。使用 DIO 的 DCPY2 显示出比二元参考更高的 FF（0.66）、短路电流密度（JSC，23.04 mA cm−2）和 PCE（13.85%），而开路电压 (VOC) 因光伏间隙变窄而降低。使用瞬态光学（transient absorption spectra, TAS）和光电技术(Transient photovoltage&Charge ectraction, TPV/CE) 的组合，我们系统地研究了改进的FF的原因。我们证明，与二元共混物相比，SCOSC 中更高的 JSC 和 FF 源于高效的激子猝灭、高电荷分离产率和缓慢的非孪生复合。同时，它们的迁移率仍然低于共混物。DIO 的添加有助于受体聚集并提高迁移率，同时改善电荷分离并进一步降低 DCPY2 中的非孪生复合率。随后，通过掠入射广角和小角 X 射线衍射 (GIWAXS 和GISAXS) 测量以及密度函数理论 (DFT) 模拟，将SCOSC 和共混物的光伏特性与其形态变化联系起来。我们表明，烷基链可充当空间缓冲链，通过减少供体和受体部分之间离域电荷的波函数重叠来抑制非孪生复合动力学。本研究对 DCP 基 SCOSC 的结构-形态-性能关系的理解将有助于进一步提高其性能。通过合理控制供体/受体界面，我们可以实现高效的电荷产生，同时保持减少的非孪生复合。将此关系与相应的二元共混物进行比较将有助于选择合适的 DCP 供体和受体组分以及合理设计连接体特性。

总结与展望

在本研究中，我们全面研究了高效单组分材料及其二元对应物的结构-形貌-性能关系。我们发现 DCPY2 中供体和受体界面的分子控制对抑制电荷复合有显著影响。DCPY2 中的烷基链充当化学屏障，允许电荷在 D/A 界面离域，从而抵抗电荷复合，同时仍能有效产生电荷。在 DCPY2 中添加 DIO 通过增加分子内和分子间堆积增强了 Y-O6 的伪纯域（pseudo-pure domain），进一步促进了自由电子和空穴的离域。因此，DCPY2 (5%DIO) 表现出较慢的复合和较高的 FF，同时即使在电荷积累增加的情况下也能保持较高的 JSC。与混合物相比，DCPY2 中的有效电荷产生与吸收和 EQE 红移一致，这归因于DCPY2减少的带隙。此外，通过供体和受体之间的化学连接体进行分子控制，导致 DCPY2 相对于共混物的吸收红移行为和较小的光学带隙。这是因为烷基连接体将受体单元限制在单组分基质中，从而产生与纯 Y-O6 结构不同的堆积行为。尽管 DCPY2（5% DIO）中的 VOC 略有损失，但由于极大的抑制了电荷复合，获得13.85% 的高效率。DIO 的添加导致 DCPY2 中的迁移率更高，得益于在更多聚集的 Y-O6 域中从 2D 到伪 3D 电荷传输通道的转变。然而，DCPY2 的迁移率仍然比共混物低一个数量级，这表明需要继续努力进行分子控制以构建高维电荷传输通道，进一步增强 PCE。

参考文献

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课题组介绍

吴佳莹教授现担任香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域助理教授、香港科技大学工学院化工与生物分子工程系兼职助理教授。吴教授于2013年获得电子科技大学（微电子与固体电子学院）学士学位；随后在英国伦敦帝国理工学院获得硕士（2013-2014）和博士学位（2015-2019），师从世界顶尖光电物理化学学家、英国皇家科学院院士 - James R. Durrant教授；后继续在Durrant课题组从事博士后研究（2019-2021）。

吴教授的研究方向为材料光物理与器件物理。其研究的材料主要运用于有机/钙钛矿太阳能电池和光电探测器等光电转化领域。她的研究主要通过超快吸收光谱以及瞬态光电等光谱实验手段，研究光电材料的作用过程中的载流子动力学，分析解释材料和器件的作用机理，为材料设计和器件优化提供指导思路。吴教授带领的材料先进表征与分析团队，旨在攻克新型材料与技术中的基础难题。课题组具有充足的科研经费、实验室空间和全新的实验设备，欢迎报考硕士、博士，申请联培研究生、科研助理和博士后。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202409212