创新点

本文通过引入高结晶性聚合物给体D18作为缓冲层，以抑制溶剂引起的侵蚀与溶胀，从而促进优化的垂直相分离。该方法促进了高纯度的界面相和有序的分子堆积，增强了激子解离和电荷传输，从而实现了高效的准平面异质结有机太阳能电池。

有机太阳能电池(OSCs)因质轻、柔性和可溶液加工等优势成为研究热点，其活性层形貌对激子解离、电荷传输与复合具有关键影响。传统体异质结(BHJ)结构存在相分离不可控、热力学不稳定等问题；而逐层沉积构建的准平面异质结(PPHJ)可优化垂直相分离(VPS)，但沉积过程中非正交溶剂对底层膜的侵蚀与溶胀会破坏界面完整性，导致相混合与性能下降。因此，如何在不牺牲界面薄膜质量的前提下实现抗溶剂侵蚀的逐层沉积，成为提升PPHJ OSCs效率与稳定性的核心挑战。

基于上述背景，江西师范大学陈义旺/廖勋凡教授团队提出了在给体与受体层之间引入高结晶性聚合物D18作为“缓冲层”，并通过精确调控活性层材料的沉积顺序构建三种对比体系：PM6/L8-BO、PM6:D18/L8-BO(D18与PM6共混)以及PM6/D18/L8-BO (D18作为独立中间层)(如图1)，系统探究了基于D18不同的引入方式对活性层形貌与器件性能的所带来的影响。结果表明，当D18以独立层形式沉积时，其低表面能与强结晶聚集倾向可在PM6表面形成致密的纤维网络，从而有效抑制L8-BO的过度渗透并减轻氯仿对PM6的侵蚀，从而获得更优的给受体梯度分布与更高相纯度的VPS形貌，同时降低界面陷阱与能量损失并抑制非辐射复合。

图1 (a) PM6, (b) D18, (c) L8-BO的分子结构；(d)基于PM6/L8-BO、PM6:D18/L8-BO、PM6/D18/L8-BO的PPHJ器件加工流程；(e-g)预期薄膜形貌示意图，其中黄色和蓝色区域分别对应受体富集和给体富集；(h) PM6和PM6/D18薄膜在氯仿处理前后的紫外-可见吸收光谱和(i)物理图像；(j) PM6、D18、PM6:D18 (0.8:0.2, W:W)、PM6:D18(0.8:0.2, W:W)和L8-BO薄膜的接触角图像。

为了研究共混膜的VPS形貌，作者利用薄膜深度依赖光吸收光谱(FLAS)直观展示了三种PPHJ薄膜中受体成分(L8-BO)从阴极到阳极的梯度分布，如图2所示。结果表明，在D18的引入下，尤其是作为独立层(PM6/D18/L8-BO)，可形成最显著的垂直相分离。同时基于光学传输矩阵模型模拟的激子生成率图谱显示，具有最优垂直相分离形貌的PM6/D18/L8-BO薄膜获得了最高的激子生成率(19.96 nm^-3·s^-1)，这与其最高的短路电流密度直接相关。

图2 (a-c)薄膜深度依赖光吸收光谱(FLAS)；(d-f) PM6/L8-BO、PM6:D18/L8-BO和PM6/D18/L8-BO薄膜对应的组分分布；(g-i)激子生成速率图；(j-l)三种薄膜的形貌演化示意图。

在器件性能方面，通过将D18掺入PM6中(PM6:D18/L8-BO)，开路电压(V_OC)、短路电流密度(J_SC)和填充因子(FF)均得到提升，使能量转换效率(PCE)达到19.21%；当D18作为独立界面层(PM6/D18/L8-BO)时，PCE进一步提升至19.80%，同时获得更高的V_OC (0.903 V)、更高的J_SC (27.26 mA·cm^-2)与更高的FF (80.43%)；在此基础上引入少量BTP-eC9 (PM6/D18/L8-BO:BTP-eC9)后，PCE进一步提高到20.21%，FF达到81.06%。器件性能显著提升的原因是形成更优的VPS形貌使获得更高的激子解离与电荷收集效率以及更平衡/更高的电荷迁移率。

为了探究导致V_OC提高的原因，作者基于阻抗谱分析评估了陷阱态密度(DOS)，并根据傅里叶变换光电流光谱-外量子效率(FTPS-EQE)和电致发光量子效率(EQE_EL)测量对器件的总能量损失(Eloss)进行了量化。结果表明，在PM6/D18/L8-BO基器件中观察到最低的陷阱密度(Nt, 5.94×1015 cm-3)，这可归因于D18诱导的分子有序性提高和晶格缺陷减少，以及更有利的VPS形貌和更高的相位纯度。此外，得益于其Urbach能量降低，证实D18缓冲层可有效降低其能量无序，从而导致ΔE3 (表示非辐射能量损失)得到降低。这突出了D18在抑制D-A界面非辐射复合方面的有效性，与之前观察到的陷阱密度降低一致。

陷阱密度的降低和能量损失的抑制表明薄膜质量和分子有序性的改善。为了深入了解这些改进的原因，作者通过原位紫外-可见吸收光谱进一步监测了薄膜形成过程中的结晶动力学。结果表明，PM6/L8-BO表现出最短的结晶时间(0.25 s)，PM6:D18/L8-BO具有最长的结晶时间(0.35 s)，而PM6/D18/L8-BO具有适当的结晶时间(0.3 s)，这表明D18作为独立层时可适度减缓结晶，促进有序生长，同时避免过度聚集，从而促进电荷传输和光伏性能。

为了阐明D18掺入如何影响分子的排列和取向，作者进行了掠入射广角X射线散射(GIWAXS)测试。在面外(OOP)方向上，PM6膜的(010)峰位于1.670 Å-1，计算得到的π-π堆积距离为3.762 Å，晶体相干长度(CCL)为12.187 Å。PM6:D18和PM6/D18薄膜的(010)衍射峰的位置随着D18的加入而略微红移，分别为1.700和1.740 Å-1。较短的π-π堆积距离和较长的CCL表明PM6:D18和PM6/D18薄膜中的分子堆积更加紧密有序。有趣的是，在受体L8-BO沉积后，PM6:D18/L8-BO的CCL比PM6/D18/L8-BO稍大，这可能是由于PM6:D18/L8-BO的结晶过程较长。这种扩展的结晶时间也可能导致过度聚集，从而不利于器件性能。

为了研究激子产生和空穴转移的动力学过程，作者利用750 nm泵浦激发，在10 μJ·cm-2以下进行了飞秒瞬态吸收(fs-TA)光谱分析。通过对给体基态漂白(GSB)信号上升动力学的双指数拟合，定量分析空穴从受体L8-BO向给体的转移过程。结果表明，PM6/D18/L8-BO体系表现出最快的空穴转移时间常数(τ1=0.229 ps)，表明其界面电荷分离最为高效。同时，受体信号衰减动力学显示，含D18的薄膜具有更慢的复合速率，对应更长的电荷寿命。

为了进一步验证空穴转移动力学，作者进行了时间分辨共聚焦成像系统(TRCIS)测试。在780 nm(激发受体)和542 nm(激发给体)激发下，PM6/D18/L8-BO共混薄膜均表现出最强的荧光淬灭现象，表明其界面电荷转移效率最高。此外，根据单指数拟合获得的平均荧光寿命分布显示，PM6/D18/L8-BO薄膜的寿命最短，与飞秒瞬态吸收结果相互印证，共同证实了D18缓冲层对促进界面电荷分离、减少非辐射复合的关键作用。

本文为“Flexible Polymer Electronics”专题特约稿件，刘丹、于进洋、付予昂是该论文的共同第一作者，陈义旺教授和廖勋凡教授为本文的通讯作者。

Citation: Liu, D.; Yu, J. Y.; Fu, Y. A.; Liu, M. T.; Zhu, P. P.; Fang, J. N.; Song, X.; Zhu, H. M.; Lu, X. H.; Chen, H. Z.; Liao, X. F.; Chen, Y. W. Erosion-immune layer-by-layer deposition enabled by interfacial buffering toward 20.21%-efficient pseudo-planar heterojunction organic solar cells. Chinese J. Polym. Sci. 2026, 44, 922–936

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