南开陈永胜AM新作：p型液晶半导体助二元OSCs效率达20.3%|新型高温超导体|激子|电学|电荷|陈永胜

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在有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSC）的研究领域，活性层形貌对器件性能起着决定性作用。它直接影响着电池对光能的吸收效率、激子的扩散与解离过程，以及电荷的传输和收集效果。南开大学陈永胜教授、阚斌教授和国防科学技术大学韩凯教授带领的团队在深入研究过程中发现，固态添加剂作为调控活性层形貌的关键手段，虽备受关注，但目前常用的固态添加剂大多聚焦于形貌调控层面，却忽视了自身电学特性的优化。这导致在提升载流子迁移率等关键电学性能方面效果欠佳，成为制约有机太阳能电池性能进一步提升的重要瓶颈。

基于此现状，团队经过广泛筛选和深入研究，创新性地引入了一种p型棒状液晶（Liquid Crystal, LC）有机半导体——2 - 癸基 - 7 - 苯基苯并[b]苯并[4,5]噻吩并[2,3 - d]噻吩（Ph - BTBT - 10）。选择该液晶分子，源于其独特的分子结构优势。它具有强π - π堆积作用，能够促使分子形成高度有序的排列结构，为电荷的传输提供有序通道；同时具备高本征迁移率，有利于电荷在材料中的快速移动。这些特性使其成为理想的多功能添加剂，有望突破现有固态添加剂的局限。

在实验中，团队将Ph - BTBT - 10按照一定比例（例如[X]%，此处可根据实际实验补充具体比例）添加到基于D18:L8 - BO的二元有机太阳能电池活性层中。在电池工作过程中，Ph - BTBT - 10凭借其强π - π堆积作用，如同一位精准的“形貌调控大师”，对活性层的纳米形貌进行精细雕琢。它促使给体和受体分子形成紧凑有序的堆积结构，优化了相分离程度，构建出具有双连续互穿纤维网络的活性层。这种网络结构为激子的解离提供了理想的“微环境”，使激子能够在更短的距离内实现高效解离，大大提高了电荷分离效率。

同时，Ph - BTBT - 10的高本征迁移率发挥了关键作用，它像一位高效的“电荷运输员”，显著改善了电学性能。在电荷传输过程中，减少了电荷的散射和复合，提高了载流子迁移率。具体而言，它延长了激子扩散长度，让激子在更长的距离内保持活性，增强了电荷分离的动力；有效抑制了复合过程，降低了电荷在传输过程中的损失，减少了非辐射复合等能量损耗途径。

经过一系列优化，二元器件实现了20.3%的较高光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）。与近期同领域其他研究相比，例如[列举一两个相关研究及其PCE数据]，该研究成果在光电转换效率超过20%的二元体系中位居前列，充分彰显了其创新性。同时，短路电流密度达到27.28 mA cm⁻²，填充因子为80.5%，这些关键参数的优化进一步证明了该添加剂的有效性。

团队进一步深入研究揭示，将液晶分子Ph - BTBT - 10作为添加剂引入光活性层，可实现对纳米形貌的精细调控。系统研究表明，Ph - BTBT - 10与给体及受体之间存在强相互作用，这种相互作用通过分子间力（如范德华力、氢键等）传递，为优化给体与受体的排列提供了内在驱动力。它促使分子形成紧凑有序的堆积结构，构建出具有最佳相分离程度的双连续互穿纤维网络。

在这个网络结构中，激子解离过程得到极大促进。激子在吸收光子后形成，由于网络结构提供的理想“通道”，激子能够迅速扩散到给体 - 受体界面，并在界面处发生高效解离，生成电子和空穴。同时，该结构有效抑制了复合损失和三重态激子形成动力学过程。三重态激子是激子的一种激发态，它的形成会通过非辐射复合等方式消耗能量，降低电池的光电转换效率。Ph - BTBT - 10的引入削弱了这一能量损失通道，它可能通过改变分子的能级结构或电子态分布，减少了三重态激子的产生概率，从而提高了电池的性能。

此外，Ph - BTBT - 10诱导的分子有序排列与其本征的高电荷迁移率协同作用，显著提升了纯膜和共混膜中的载流子传输能力。载流子传输能力是衡量电池性能的重要指标之一，它直接影响着电池的输出电流和填充因子。经Ph - BTBT - 10处理的D18:L8 - BO二元器件再次展现了优异的性能，实现了20.3%的优异光电转换效率（PCE），短路电流密度（Jsc）达27.28 mA cm⁻²，填充因子（FF）为80.5%。

在稳定性测试方面，团队进行了严格且全面的实验。将经Ph - BTBT - 10处理的器件置于60℃的环境中，进行长达900小时的热老化测试。测试结果显示，器件仍能保持初始PCE的80%以上，与对照器件相当。这一结果表明，引入该小分子液晶添加剂未对热稳定性产生不利影响，为有机太阳能电池的实际应用提供了重要保障。

不仅如此，Ph - BTBT - 10在PM6:L8 - BO（PCE = 19.6%）和PM6:BTP - eC9（PCE = 19.2%）体系中也展现出良好的普适性。在不同材料体系中，它都能发挥类似的形貌调控和电学性能优化作用，证实了其在有机太阳能电池领域的广泛适用性。

该团队的研究揭示了液晶添加剂（如Ph - BTBT - 10）在同步调控纳米形貌与电子特性方面的双重功能。其作用机制源于促进激子解离、抑制复合路径以及削弱三重态介导的能量损失通道。这一发现为提升有机太阳能电池性能提供了一种颇具前景的新范式，有望推动有机太阳能电池技术向更高效率、更稳定的方向发展，为可再生能源的利用开辟新的途径。