有机太阳能电池因其质量轻、可溶液加工、适用于柔性基底等优点而备受关注。广泛的深入研究已使得有机太阳能电池的光电转换效率突破18%，与商业化的硅电池效率相当。从本质上理解其高性能是最终实现有机太阳能电池技术商业化的关键。在早期，单组分有机太阳能电池由于活性层与电极之间形成肖特基接，无法有效进行激子解离，光电转换效率不足个位数。随后的平面异质结有机太阳能电池通过给、受体分别与正负极接触，避免了肖特基结构问题。尽管效率有所提升，但是有限的给受体界面以及有机半导体固有的较短激子传输距离（10-20 nm）严重阻碍了平面异质结有机太阳能电池的光电转换效率的提升。后来发展的本体异质结通过直接将给受体材料共混作为活性层，大大增加了给受体界面，有效促进了激子分离；同时，给受体材料的自发相分离产生双连续的网络结构，提供了载流子的快速传输通道（图1a 左）。因此，有机太阳能电池的光电转换效率得到大幅提升，本体异质结结构也成为目前有机太阳能电池的主要结构。然而，本体异质结有机太阳能电池的器件性能很大程度上依赖活性层的纳米相分离。然而纳米相分离难以调控，且对材料的性质以及器件制备条件非常敏感，这一问题在制备大面积器件时尤为突出。近年来，通过分步溶液涂布制备的准平面异质结结构获得了较多关注（图1a 中）。准平面异质结的纳米相分离也难以精准控制，给受体界面也相对有限，不利于器件性能的进一步提升。就同时实现高效激子解离和电荷传输而言，给受体交互型本体异质结结构是最为理想的活性层结构（图1a 右）。然而，迄今为止还没有一种很好的方法来实现这样的高性能活性层结构。

  针对这一难题，四川大学彭强教授团队通过在给体溶液中加入微量蜡添加剂的方式，简单有效地制备出了高性能的给受体交互型本体异质结结构，显著提升了有机太阳能电池的光电转换性能。所制备的基于PM6给体和L8-BO受体的非富勒烯有机太阳能电池器件效率高达18.74%，高于目前主流的本体异质结结构有机太阳能电池（18.10%）。

图 1. （a）有机太阳能电池的三种典型结构示意图：本体异质结（BHJ）结构、准平面异质结（Q-PHJ）器件结构以及交互型本体异质结（IHJ）结构；（b）PM6和L8-BO的化学结构式；（c）交互型本体异质结（IHJ）结构活性层的制备示意图

  该团队研究发现，在给体PM6的溶液中加入微量与PM6不互融的蜡（para film）添加剂，会诱导在成膜过程中发生相分离，促使PM6纳米线以及蜡纳米液滴的形成。在成膜后期，随着纳米液滴中氯苯溶剂的挥发，使得PM6薄膜形成纳米多孔结构（图2b）。随后将L8-BO受体溶液涂布在该多孔薄膜上，受体填充到纳米孔道中，最终形成交互型本体异质结结构。动态X-射线光电子能谱测试证实了受体材料有效填充了这些纳米孔道。这样在增加给受体接触面积的同时，也保证了载流子的高效传输，完美实现了激子的高效解离和载流子的高效传输，从而大幅提升了器件的光电转换效率（18.74%）。与之相比，给受体直接共混的本体异质结器件效率以及不使用添加剂制备的准平面异质结器件的效率相对较低，分别为18.10%和17.21%。该团队同时对该方法进行了普适性研究，在PBDTS-TDZ/IT-4F、PBDTSF-TZNT/IT-4F以及PNDT-ST/Y6-T体系中均获得了相同的规律。研究结果表明，通过加入蜡添加剂形成纳米多孔结构是制备高性能具有交互型本体异质结活性层结构有机太阳能电池的简单有效方法。该研究为进一步发展高效有机太阳能电池提供了新的器件结构形式。

图2. 三维原子力显微镜高度图：（a）PM6纯膜、（b）蜡添加剂导致多空道的PM6薄膜、（c）PM6:L8-BO共混膜；基于PM6给体以及L8-BO受体的不同活性层结构的动态X-射线光电子能谱：（d）准平面异质结结构、（e）交互型本体异质结结构、（f）本体异质结结构

  该研究成果于近日发表在Advanced Functional Materials上。论文的第一作者为四川大学化工学院研究员徐小鹏博士，通讯作者为彭强教授，共同通讯作者为澳大利亚新南威尔士大学（University of New South Wales）戴黎明教授。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108797