Angew. Chem. ：全氟烷基取代的非对称非富勒烯受体诱导的“自分层策略”助力高效有机太阳电池

有机太阳电池（OSCs）具有柔性、质轻、易于大面积制备等优点，作为下一代光伏技术在便携式柔性智能设备、光伏建筑一体化等领域具有广阔的应用前景。其工作机制包括：（1）活性层吸收光子产生激子；（2）激子扩散至给/受体界面；（3）激子拆分成自由载流子；（4）电荷传输至电极并被收集。其中，活性层形貌对于光生激子的扩散、解离以及自由载流子的传输、收集具有重要影响。对于目前常用的本体异质结（BHJ）有机太阳电池，其活性层中的异质结垂直相分离受到溶剂挥发速率、溶解性、添加剂、表面能等多重因素影响，通常难以控制。而且，已有较多文献报道，PM6等给体材料倾向于在靠近阴极的上层富集，所形成的给受体垂直相分离结构增加了电荷的复合、阻碍了电荷的高效传输和收集，进而降低电池的能量转换效率（PCE）。

最近，华南理工大学黄飞教授团队提出了一种利用材料表面能差异而产生的“自分层策略”，对活性层中给受体垂直相分布进行了有效调控。作者合成了一种同时具有烷基及全氟烷基侧链的非对称非富勒烯受体分子EH-C₈F₁₇，单全氟烷基链的引入使分子兼具良好的溶解性和较小的表面能。将其作为第三组分引入到二元体系中，所形成的三元OSC表现出诸多优势：（1）EH-C₈F₁₇由于较小的表面能倾向于在表面富集，在表层所形成的受体富集相促进了电荷传输与收集；（2）下层的BHJ结构确保了激子的高效解离及电荷传输；（3）上述优异的垂直相分布是受活性层组分间表面能差异驱动而原位自发形成，避免了多次的逐层沉积步骤。（4）EH-C₈F₁₇更宽且相对蓝移的吸收，与二元主体形成吸收互补，增强光子收集。

在PM6:BTP-eC9二元体系中，作者引入EH-C₈F₁₇并用动态X射线光电子能谱表征各组分的垂直相分布。结果表明，EH-C₈F₁₇富集在活性层的表层，而PM6和BTP-eC9均匀分布在下层。所形成的独特、理想相分离结构，促进了激子的高效解离和电子的传输，兼具了本体异质结和准平面异质结的优点。最终，基于PM6:BTP-eC9:EH-C₈F₁₇的器件获得了超过18%的PCE。另外，作者还证明该策略具有良好的普适性，对于PM6:Y6-BO和PM6:IT-4F体系，EH-C₈F₁₇的加入均能使PCE得到显著提升。值得一提的是，得益于上述更优的相分离形貌，EH-C₈F₁₇的加入可以显著改善PM6:BTP-eC9器件的厚度敏感性，350 nm的厚膜器件实现了16.89%的PCE。

该研究提出了活性层“自分层策略”，通过各组分间的表面能差异实现了垂直相分离的便捷、有效调控，形成了具有受体富集的表面层、理想BHJ结构的下层的独特活性层形貌，确保激子高效解离的同时提升了电荷的传输与收集，为目前BHJ器件面临的垂直相分离难调控和厚度敏感性等问题提供了切实可行的解决方案。