香港城大Duu-Jong Lee团队：面向可持续规模化有机光伏的 Y 系受体自组装调控

港城大Duu-Jong Lee&Hsien-Yi HSU团队提出了一种基于3,5-二氯吡啶(PDCC)固体添加剂的自组装调控方法。PDCC通过与Y系列受体分子的特异相互作用，促进分子结晶与J-聚集，从而在成膜过程中引导受体自组装，构建有序分子堆积与均一活性层结构。这种优化的微观结构显著提升了激子解离效率与电荷传输能力，并有效抑制复合损失，使器件效率达到20.47%。在绿色溶剂体系的大面积组件(19.3 cm²)中，该策略同样实现性能提升，将效率由13.87%提高至15.79%。

此外，该方法在多种材料体系中表现出良好的普适性，并显著改善器件长期稳定性，展现出优异的应用潜力。总体而言，本工作通过简单而有效的自组装调控策略，实现了高性能与可持续制备的统一，为推动有机太阳能电池的大规模商业化提供了新的思路。

在热处理过程中，这种作用进一步被放大。随着温度升高，受体分子在PDCC的调控下表现出更强的J-聚集特征和更明显的吸收红移，说明分子间π–π堆积更加紧密、有序。同时，光致发光信号显著降低，反映出分子聚集程度提升及激子复合减少，进一步印证了有序堆积结构的形成。值得注意的是，PDCC在退火过程中逐渐挥发，为分子重排提供瞬态空间，使受体能够完成从无序到有序的结构转变。

因此，PDCC不仅通过分子间相互作用促进受体初始聚集，还通过“挥发辅助重排”机制优化成膜动力学，实现了从分子层到形貌层的协同调控。这一策略有效构建了有序分子堆积与合理相分离结构，为高效电荷传输与器件性能提升奠定了关键基础。

图1. a) PM6、BTP-eC9 和 PDCC 的化学结构、静电势(ESP)分布及最低能量构型的结合能计算结果。b) BTP-eC9 薄膜和 c) PDCC 处理的 BTP-eC9 薄膜的温度依赖紫外–可见吸收光谱。d) BTP-eC9 和 e) PDCC 处理的 BTP-eC9 的紫外–可见吸收光谱。f) BTP-eC9 和 g) PDCC 处理的 BTP-eC9 薄膜的温度依赖光致发光(PL)光谱。

II PDCC调控显著提升器件效率与稳定性

图2系统展示了PDCC在器件性能优化及大面积可持续制备中的多重作用。在标准ITO/PEDOT:PSS/活性层/PNDIT-F3N/Ag器件结构中，各功能层能级匹配良好，为高效载流子传输奠定基础。引入PDCC后，PM6:BTP-eC9体系器件性能显著提升：光电转换效率由18.01%提高至19.72%，其中填充因子(FF)由72.64%提升至78.81%，短路电流密度(JSC)亦有所增加。这表明PDCC通过调控受体分子自组装，有效优化了电荷传输路径并抑制了复合损失。类似的性能提升在PM6:L8-BO与PM6:Y6体系中同样得到验证，进一步说明该策略具有良好的普适性。外量子效率(EQE)结果显示，在450–850 nm范围内，PDCC处理器件的光响应整体增强，与JSC提升保持一致，证明其在光吸收与载流子产生方面的协同优化作用。

除效率外，PDCC还显著改善器件稳定性。在持续光照(100 mW cm⁻²，N₂气氛)条件下，PDCC处理器件在600小时后仍可保持约72.9%的初始效率，而对照器件仅为60.2%；同时其热稳定性也表现更优。这表明PDCC诱导形成的有序分子堆积与稳定形貌，有效抑制了相分离和结构退化，从而延长器件寿命。

在绿色溶剂与规模化制备方面，PDCC同样展现出突出优势。采用高沸点、环境友好的o-二甲苯作为溶剂时，器件效率由17.14%提升至18.52%，体现出该策略对绿色加工工艺的良好兼容性。进一步将器件放大至19.3 cm²的大面积模块，PDCC处理器件效率达到15.79%，明显优于对照器件(13.87%)以及传统氯仿体系(15.56%)。这一性能提升主要归因于PDCC促进受体J-聚集与有序自组装，在慢挥发条件下更有利于形成均一且高质量的活性层结构。统计结果显示，其性能已处于大面积绿色溶剂有机光伏组件的领先水平。

图2. a) 本工作所用材料的能级示意图。b) 基于CF溶剂加工的PM6:BTP-eC9对照与PDCC处理器件的J–V曲线，c) 对应的EQE曲线。d) 基于o-二甲苯(o-XY)溶剂加工的对照与PDCC处理器件的J–V曲线。e) 本工作所用大面积组件的器件结构示意图及实物照片。f) 封装后大面积组件的照片。g、h) 分别为采用CF和o-XY溶剂加工的PDCC器件的大面积组件的I–V与P–V曲线。i) 不同文献中(组件面积>18 cm²)基于CF和o-XY溶剂的PCE发展情况对比。j) 对照与PDCC处理器件的光稳定性测试结果。

图4从微观形貌与分子堆积角度揭示了PDCC对活性层结构优化的作用机制。通过原子力显微镜(AFM)观察可以发现，PDCC处理后的共混薄膜表现出略高的表面粗糙度(Rq≈1.37 nm)，相较于对照样品(Rq≈1.31 nm)有所增加，说明PDCC的引入改变了分子聚集方式，使体系形成更加丰富的纳米结构特征。同时，形貌图像中可以清晰观察到更加明显的纤维状结构与相分离界面，这种清晰且连续的相区有助于构建高效的电荷传输通道，从而提升器件性能。

进一步通过掠入射广角X射线散射(GIWAXS)分析分子堆积行为，结果表明两种体系整体取向相似，但PDCC处理样品的衍射峰更为强烈，尤其是在qz方向上的π–π堆积峰(010)更加突出，说明分子间堆积更加紧密且有序。此外，PDCC引入后，薄膜的相干长度显著增加，同时层间距略微减小，表明晶区尺寸扩大、分子排列更加规整。

图4. a–d) 对照样品与PDCC处理样品的AFM高度图与相位图。e、f) 对照样品与PDCC处理共混薄膜的二维GIWAXS图像，g、h) 对应的二维GISAXS图像。i) 对应二维GIWAXS数据的线切剖面图，j) 对照样品与PDCC处理共混薄膜在面内方向的GISAXS强度分布(符号)及其最佳拟合曲线(实线)。

Duu-Jong Lee

本文通讯作者

香港城市大学 讲席教授

▍主要研究领域

生物能源、废水处理、传热。

▍主要研究成果

Duu-Jong Lee教授于1984年和1989年分别在台湾大学化学工程系获得学士和博士学位。在其30余年的学术生涯中，Lee教授主要从事生物质能源、废弃物资源化以及微尺度传热传质等领域的研究，已成功指导5名博士研究生和72名硕士研究生。迄今为止，他已获得11项专利，出版1部专著、12个书籍章节，并发表980篇SCI论文，Web of Science引用超过3万次，h指数为79，Google Scholar h指数为99。在SciVal数据库中，Lee教授在“环境工程”和“生物工程”子领域的发文量排名全球第4；在斯坦福大学发布的全球前2%科学家榜单中，他在“生物技术”领域排名第21位。Lee教授曾荣获多项国内外重要奖项，并担任多所世界知名高校和科研机构的访问教授。同时，他还在多个学术期刊中担任主编或编委。Lee教授是英国皇家化学学会(RSC)、台湾化学工程学会(TIChE)以及国际生物技术协会(IBA)的会士。

▍Email：tuclee@cityu.edu.hk

Duu-Jong Lee

本文通讯作者

香港城市大学 讲席教授

▍主要研究领域

生物能源、废水处理、传热。

▍主要研究成果

Duu-Jong Lee教授于1984年和1989年分别在台湾大学化学工程系获得学士和博士学位。在其30余年的学术生涯中，Lee教授主要从事生物质能源、废弃物资源化以及微尺度传热传质等领域的研究，已成功指导5名博士研究生和72名硕士研究生。迄今为止，他已获得11项专利，出版1部专著、12个书籍章节，并发表980篇SCI论文，Web of Science引用超过3万次，h指数为79，Google Scholar h指数为99。在SciVal数据库中，Lee教授在“环境工程”和“生物工程”子领域的发文量排名全球第4；在斯坦福大学发布的全球前2%科学家榜单中，他在“生物技术”领域排名第21位。Lee教授曾荣获多项国内外重要奖项，并担任多所世界知名高校和科研机构的访问教授。同时，他还在多个学术期刊中担任主编或编委。Lee教授是英国皇家化学学会(RSC)、台湾化学工程学会(TIChE)以及国际生物技术协会(IBA)的会士。

▍Email：tuclee@cityu.edu.hk

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部