有機半導體具有高光吸收和能級可調的優勢，使薄膜太陽能電池在寬波長範圍內具有高光-電轉換效率。儘管最近取得了一些進展，但有機太陽能電池（OSC）的性能仍受到非理想激子和電荷傳輸的限制，這不僅取決於有機半導體的電子結構，而且還需要合適的納米結構。為了進一步提高OSC的功率轉換效率（PCE），需要一種平衡結晶區和混合區的合適納米級相分離形態。然而，這是一項富有挑戰性的工作，因為薄膜沉積是一個非平衡過程，取決於多種因素，包括化學結構和加工條件。操縱薄膜形態的一個有用策略是引入第三種成分，該成分可選擇性地與供體或受體相互作用，以誘導額外的形態控制。對於焓控結晶，可以實現具有合適尺寸的結晶誘導相分離形態，從而創建一個具有數十納米尺度結晶範圍的相互交織的施主-受主雙連續網絡，以實現有效的激子和載流子傳輸。同時，施主-受主混合域的大小需要減小，以增強載流子在到達雙連續結晶域之前的擴散，從而影響器件的填充因子（FF）。
圖1.材料和器件性能
要點1:PM6材料的HOMO和LUMO分別為−5.20 eV和−3.06 eV，D18材料的HOMO和LUMO分別為−5.24 eV和−2.95 eV；L8-BO材料的HOMO和LUMO分別為−5.67 eV和−3.92 eV。
要點2:在PM6:L8-BO中加入適量D18可同時提高短路電流密度（Jsc）和FF，而且三元器件的光照穩定性優於二元器件。
要點3:外部/內部量子效率（EQE/IQE）結果顯示，與二元器件相比，三元器件的EQE增加，這有助於改善Jsc和PCE，三元器件的PCE值最高。
要點：基於PM6:L8-BO的器件實現了18.2%的最大PCE，其中開路電壓(Voc)為0.888V，Jsc為 25.7 mAcm-2，FF為79.9%，而D18:L8-BO的Voc為0.907V，Jsc為24.9 mAcm−2，FF為 78.5%，PCE為17.7%。PM6:D18:L8-BO的最佳質量比為0.8:0.2:1.2，最大PCE為19.6%，Voc為0.896 V，Jsc為26.7 mAcm-2，FF為81.9%。
要點1：透射電子顯微鏡顯示，在所有共混膜中都可以看到纖維狀網絡結構。原始PM6:L8-BO共混物中的原纖織構大致定義為較小的原纖直徑和更稀疏的原纖分布。D18是一種高度結晶的聚合物，其溶解度略低於PM6，並且D18在薄膜生長過程的早期析出，以誘導聚合物結晶。
要點2：光誘導力顯微鏡（PiFM）顯示，PM6和L8-BO都在混合物中形成了纖維網絡結構。兩幅圖像的疊加產生了一個與施主和受主域緊密接觸的糾纏DFNM，表明結晶誘導的形態可以導致更好的相連接性和更細的尺寸。此外，可以估算受體和供體纖維直徑分別為22.1和22.6 nm。
要點3：D18:L8-BO薄膜結晶度高，晶粒尺寸大，而PM6:L8-BO薄膜結晶度弱，晶粒尺寸小。PM6:D18:L8-BO薄膜介於兩者之間，與PM6:L8-BO薄膜接近，三元共混物中的少量D18促進了施主聚合物和非富勒烯受體分子的結晶。
要點4：D18可以通過改善原纖維直徑在三元共混物中誘導更明確的原纖維結構，纖維間的混合區域較小。混合區中的電荷可以有效地擴散到纖維網絡中，並被電極收集。因此，混合物基質中緊密排列的施主-受主纖維具有高效的激子分離和載流子輸運能力。
要點1：D18的引入導致更高的遷移率和平衡電荷傳輸，這可以降低雙分子和陷阱輔助複合的可能性。
要點2：所有器件的自由電荷漂移長度都很高，從接近1000納米到2000納米以上（遠高於器件厚度），表明在短路條件下有效收集電荷，激子解離後自由載流子的損失可以忽略不計。而三元器件的擴散長度最大，可以歸功於三元器件中增強的FF。
要點3：三元器件具有最低的複合係數和最高的占據態密度，如圖3c、d所示，陷阱輔助複合的貢獻有限。
要點1：具有長支鏈側鏈的L8-BO具有較強的烷基鏈相互作用，並採用更密集的堆積，長軸沿面中心-半對角線，在晶體中的共軛主鏈之間形成較小的空間。
要點2：從單晶可以看到多個二聚體堆積基序，需要八個單體填充才能形成一個完整的周期。更重要的是，多個線性分子組件相互交織在一起，形成具有高縱橫比的組件，其可對局部結構缺陷具有高耐受性。
要點3：這些特性使L8-BO形成針狀單晶，在TEM衍射研究中，證實分子長軸與針填充長度對齊。這種性質被保存下來，在混合薄膜中形成纖維。
要點1：增強聚合物供體的激子擴散是改善光捕獲的一種可行方法。添加第二個高結晶供體（20 wt%）如D18，可以將激子擴散長度提高到20 nm左右，它能更好地匹配聚合物原纖的直徑，並達到NFAs中的直徑。
要點2：使用三元共混物的傳統ITI類似物無助於改善器件性能，並且在幾種共混物中觀察到明顯的FF下降。這些結果可歸因於未優化的NFA形態，其中域連接是一個問題（沒有形成類似的纖維網絡通道）。而在Y6基NFA共混體系中，改進的激子擴散長度和施主-受主結晶度的三元共混物有助於提高Jsc和FF，從而產生更高的PCE。
要點3：適當減小混合區的尺寸可以提高激子的利用率。高質量的雙纖維傳輸通道確保了載體的有效擴散，不再是限制設備性能的短板。
本文展示了一種基於三元施主-受主形態的雙纖維網絡，該網絡具有多個長度尺度，由輔助共軛聚合物結晶器和非富勒烯受主長絲組件組合而成，並實現了19.3%的平均功率轉換效率（認證19.2%）。DFNM實現了器件性能的提高，這種形態方案需要高質量的施主-受主微晶形成一個多長度長度的雙纖維網絡，可促進激子擴散和電荷載流子傳輸。還降低了混合區的含量和特徵尺寸，從而使激子分離和載流子生成更加有效。DFNM的優勢已經得到了證明，顯示了其在OSCs中的廣闊應用前景。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01244-y
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