现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 66-71. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.012

技术进展

液态有机修饰剂改善有机太阳能电池活性层的研究进展

柯惠珍 ¹ ,
吕水旺 ¹^,² ,
王华中 ¹^,² ,
詹家威 ¹^,² ,
张钦义 ¹^,² ,
张鹏蕴 ¹^,^*

作者信息 +

Research progress on improving the active layer of organic solar cells with liquid organic modifiers

Hui-zhen KE ¹ ,
Shui-wang LV ¹^,² ,
Hua-zhong WANG ¹^,² ,
Jia-wei ZHAN ¹^,² ,
Qin-yi ZHANG ¹^,² ,
Peng-yun ZHANG ¹^,^*

Author information +

文章历史 +

PDF (6648K)

摘要

对有机太阳能电池的发展前景与工作原理展开介绍,着重阐释了液态有机修饰剂在提升电池功率转换效率方面蕴含的巨大优化潜力。重点分析了总结了卤代芳烃类、非卤代芳烃类、醇类以及醚类4类液态有机修饰剂对有机太阳能电池的不同活性层优化机理,最后对集多种功能于一体的稳定性多功能液态有机修饰剂的进一步开发进行了展望。

Abstract

This review begins with the introduction of the development prospects and working principles of organic solar cells,with a focus on elaborating the huge optimization potential of liquid organic modifiers in enhancing the power conversion efficiency of cells.The optimization mechanisms of different active layers of organic solar cells by four types of liquid organic modifiers,namely halogenated aromatic hydrocarbons,non-halogenated aromatic hydrocarbons,alcohols and ethers,were analyzed and summarized in detail.Finally,the further development of stable multi-functional liquid organic modifiers integrating multiple functions was prospected.

Graphical abstract

关键词

有机太阳能电池 / 稳定性 / 活性层优化 / 液态有机修饰剂

Key words

organic solar cells / stability / optimize the active layer / liquid organic modifier

引用本文

引用格式 ▾

柯惠珍,吕水旺,王华中,詹家威,张钦义,张鹏蕴. 液态有机修饰剂改善有机太阳能电池活性层的研究进展[J]. , 2026, 46(3): 66-71 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.012

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

1 有机太阳能电池简介

有机太阳能电池(organic solar cells,OSCs)凭借高效、质轻、低成本、可溶液加工及大面积制备等优势,被视为极具潜力的第三代光伏技术,在可再生能源领域备受关注。然而,OSCs发展受3大瓶颈制约:有机核心层(活性层)给受体相分离程度不当影响电荷收集;活性层与电极/缓冲层界面相容性差,阻碍电荷传输并引发复合;活性层形貌调控困难,难以形成理想互穿网络,导致器件功率转换效率(power conversion efficiency,PCE)与稳定性不足,制约其商业化应用^[1-3]。

OSCs基于有机半导体光电效应工作,相比硅基太阳能电池具有成本低、质轻、柔性好、易大面积制备等优势。工作机制为:太阳光照射活性层产生激子,激子扩散至给受体异质结界面后,借助能级差解离为自由载流子,经传输层迁移至电极并被收集形成电流。该过程涵盖光吸收产激子、激子扩散、载流子分离迁移及电极收集4步,异质结界面设计与薄膜性能是决定器件效率的关键。液态有机修饰剂是改善OSCs性能的关键途径之一,合理选用修饰剂可提升激子解离与电荷传输效率,减少复合损失,改善器件稳定性^[4]。

本综述系统评述液态有机修饰剂在OSCs活性层的修饰研究,梳理其调控活性层形貌、能级结构与电荷传输的机制及提升器件PCE和稳定性的作用,归纳修饰剂使用方法与优化策略,为相关研究提供理论与实践指导^[5]。

2 液态有机修饰剂的特性

液态有机修饰剂可通过分子间相互作用、溶解性与挥发性的调控,以及稳定性与毒性的优化,从而显著提升OSCs性能。这类修饰剂能凭借分子结构与活性层材料产生氢键、π-π堆积、卤键等协同作用:氢键可调控相分离和结晶、增强界面稳定性;π-π堆积能促进分子有序排列、提升载流子迁移率;卤键可优化异质结界面、提高激子解离效率,从而实现活性层结构与性能的精准调控。这3种作用并非孤立存在,而是相互协同、相互影响。此外,液态有机修饰剂可调控溶液溶解性与挥发性,既能与给受体材料形成均一溶液保障成膜均匀性,又能通过调控挥发动力学促进形成理想纳米互穿网络;其挥发速率需精准把控,过慢易残留引发电荷复合,过快则难以诱导有效相分离,均会制约器件性能。

液态有机修饰剂需具备良好化学稳定性,以抵御光照、温湿度等环境影响,避免分解氧化或与活性层发生不良反应,否则易引入电荷复合中心,降低器件PCE与稳定性;且针对可穿戴等贴近人体的应用场景,应选用低毒/无毒的醇、醚类修饰剂,凭借低毒易挥发特性降低健康与环境风险,契合绿色能源发展需求。

3 液态有机修饰剂的分类

3.1 卤代芳烃类有机修饰剂

卤代芳烃类修饰剂在OSCs中应用广泛,典型代表为1,8-二碘辛烷(DIO)。Zhang等^[6]发现,3%浓度的DIO处理PTB7∶PC71BM体系时,可优化光吸收与载流子迁移率,抑制电荷复合并提升激子解离效率,进而提高器件PCE。Zhao等^[7]利用DIO与2,6-二甲氧基萘(DMON)协同作用改善PBDB-T∶TTC8-O1-4F基OSCs,DIO诱导受体有序堆积,DMON抑制过度聚集,二者协同优化相分离与晶粒尺寸,显著提升非富勒烯OSCs的PCE[图1(a)]。

此外,1-CN等修饰剂可通过卤原子与有机半导体分子的弱相互作用^[8],诱导活性层形成纳米纤维状网络,构建高效电荷传输通道,并调控垂直成分分布与内建电场,提升器件PCE,但卤素成分可能加速OSCs降解。Liu等^[9]提出固液混合修饰策略,以固态TT与液态1-CN协同调控活性层形貌[图1(b)上],抑制过度聚集并优化相分离,使PM6∶Y6体系PCE达18.52%,三元体系更是提升至19.05%[图1(b)下]。Xu等^[10]结合逐层加工技术与1-CN浓度梯度调控,构建梯度纤维状p-i-n活性层,减小相畴尺寸[图1(c)],实现D18-Cl∶BTP-4F-P2EH体系PCE达20.8%,且器件稳定性优异,为高效稳定OSCs开发提供了新路径。

卤代芳烃类修饰剂在OSCs中优势显著,可依“相似相溶”原理优化给受体溶解性与成膜均匀性,调控相分离形成双连续网络,提升分子结晶度与激子解离效率,进而提高器件PCE;但该类修饰剂存在毒性与环境风险,热退火后易残留影响稳定性,且部分合成工艺复杂、成本偏高,制约商业化应用。

3.2 非卤代芳烃类有机修饰剂

非卤代芳烃类修饰剂(甲苯、邻二甲苯、聚三甲苯等)对有机光伏材料溶解性优异,可使PTB7-Th、PC71BM等给受体材料均匀分散,为成膜及分子作用奠定基础;通过选用单一或混合该类修饰剂,可精准调控活性层相分离,形成连续互穿网络,提升电荷分离与传输效率。Luo等^[11]以邻二甲苯为修饰剂,基于氯原子取代调控的小分子受体NA3[图2(a)、(b)]构建的PM6∶NA3二元体系PCE达18.94%,引入D18-Cl的三元体系效率进一步提升至19.75%。Dong等^[12]用邻二甲苯处理PM6∶DTY6体系,器件模块PCE超16%,优于Y6基器件,核心机制为DTY6可优化相畴尺寸、降低复合损耗[图2(c)]。此外,Wu等^[13]在邻二甲苯修饰下,通过在Y6/L8-BO侧链引入苯环开发新型受体[图2(d)],借助位阻效应抑制聚集并增强π-π堆积,优化电荷传输路径[图2(e)]。上述研究为非卤溶剂体系OSCs的高效化发展提供了多元方案。

非卤代芳烃类有机修饰剂因表面张力低、润湿性优异,可均匀铺展形成连续致密活性层薄膜,减少局部电荷传输阻碍与光学损失,对提升PCE至关重要。近年的研究进展表明,通过分子设计与溶剂工程协同优化,非卤代芳烃修饰剂可平衡器件效率与稳定性,符合绿色化学理念,为OSCs工业化生产提供重要技术路径,助力其从实验室走向大规模生产。

3.3 醇类有机修饰剂

醇类有机修饰剂作为无卤素液态修饰剂的重要品类,凭借低毒、易挥发、低成本的优势,成为OSCs环保工艺的理想选择;其可调控溶液极性与黏度,改善给受体材料分散性,通过极性调控与挥发动力学优化分子作用及成膜相分离,助力活性层形成均匀稳定的溶液体系,为OSCs绿色制造提供可行路径。

例如Lei等^[14]开发醇溶性自掺杂小分子IDID1作为阴极界面层[图3(a)],形成的界面偶极层可降低铝电极功函数,n型自掺杂效应经EPR波谱证实;0.6 mg/mL浓度下器件性能最优,PCE达8.88%[图3(b)],较无界面层器件提升175%,为OSCs界面优化提供了新思路。华南理工大学的刘莎^[15]开发了水/醇溶性共轭聚合物PFSOPyCl作为阴极修饰层[图3(c)],通过优化界面能级匹配减少电荷复合,使OSCs的PCE提升约15%,其醇溶性特性适配环保制备工艺。Gao等^[16]设计含氯小分子给体BM-ClEH[图3(d)],利用分子内氯-硫非共价键增强聚集性,经THF修饰及热退火处理后,与BO-4Cl构建的二元器件与三元器件PCE分别达15.0%和16.1%[图3(e)、(f)],为高效全小分子OSCs设计提供理论支撑。

但醇类修饰剂对OSCs的作用具有两面性:其羟基极性可改善有机半导体材料溶解性,较快挥发速率利于成膜;但醇易与水互溶干扰制备、羟基易与电池材料发生副反应,且部分低沸点醇闪点低、存在安全与毒性隐患,影响器件稳定性与应用安全性。

3.4 醚类有机修饰剂

醚类有机修饰剂相较醇类更具优势:对非极性/弱极性有机半导体溶解性更优,低水互溶性保障溶液稳定,适中挥发速率利于调控活性层形貌,化学性质稳定且安全性高,契合绿色化学要求。例如苯甲醚因低毒、高沸点、环境友好,成为了理想的绿色修饰剂[图4(a)]。Pang等^[17]发现现有的高效聚合物给体难溶于苯甲醚,通过在聚合物主链引入B—N共价键开发出苯甲醚可溶性聚合物PBNT-TzTz[图4(b)、(c)],基于该材料的OSCs的PCE达15.65%,大面积器件PCE突破14%,突破传统聚合物给体的溶解限制。Gao等^[18]提出分子间相互作用增韧策略,引入二苄醚诱导受体预聚集[图4(d)、(e)],提升活性层结晶度与电荷传输取向,优化器件PCE并增强膜厚耐受性,为非卤化OSCs发展提供新思路。

醚类有机修饰剂可多维度优化OSCs性能:对非极性/弱极性有机半导体溶解性优异,保障成膜质量;适中挥发速率可调控相分离,避免薄膜缺陷与修饰剂残留;化学性质稳定抗氧化,不易与活性材料发生副反应,保障器件长期稳定性;部分醚类高闪点、低毒性,提升生产安全性,为OSCs高效稳定制备提供重要溶剂工程支撑。

将上述提及的各类液态有机修饰剂统一归纳于表1,以实现不同类型液态有机修饰剂对电池性能影响的直观对比。由表1可知,目前1-CN与CB所对应的器件均呈现出较高的PCE,可达20.1%;而以CB为添加剂的电池稳定性表现突出,连续加热400 h并光照500 h后仍保持良好性能。在OSCs体系中,液态有机修饰剂改善器件性能的核心机制,多是通过调控活性层的形貌与相分离程度,优化载流子的传输与收集过程,这一作用机理为后续新型液态有机修饰剂的研发提供了清晰的优化方向。

4 总结与展望

液态有机修饰剂是OSCs性能优化的核心要素,通过化学结构与物理性质和有机半导体材料特异性相互作用,调控活性层微观结构,提升器件PCE与稳定性,但该领域面临多重挑战,如修饰剂浓度窗口狭窄、部分化学稳定性不足、与其他工艺联用时协同作用难以精准匹配等,解决这些问题需分子设计、界面工程与工艺优化的多维度协同创新。展望未来,多功能、生物基、智能响应型修饰剂有望出现,借助多尺度与原位表征技术深入剖析相互作用细节与实时动态过程,将推动OSCs的PCE与长期稳定性跨越式提升,为产业化应用奠定基础。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Zhang Y, Lang Y, Li G, et al. Recent advances of non-fullerene organic solar cells:From materials and morphology to devices and applications[J]. Eco Mat, 2023, 5(1):e12281.

[2]	Lv S, Ke H, Zhao W, et al. Stretchable polymer solar cells beyond 15% efficiency:Strategies,achievements,and outlook[J]. Chemical Research in Chinese Universities, 2025,41:1261-1277.

[3]	Ke H, Xie H, Pei L, et al. Mechanically stable and intrinsically stretchy organic photovoltaics via constructing stress-dissipative networks[J]. Chinese Journal of Chemistry, 2025,43:2909-2916.

[4]	Xia Z, Gao C, Xie Z, et al. Isomerization-controlled aggregation in photoactive layer:An additive strategy for organic solar cells with over 19.5% efficiency[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2024, 126(52):e202413546.

[5]	Zhang R, Chen H, Wang T, et al. Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control[J]. Nature Energy, 2025,10:124-134.

[6]	Zhang H, Liu Y, Xu B, et al. Effects of DIO on the charge recombination behaviors of PTB7∶PC₇₁BM photovoltaics[J]. Organic Electronics, 2019,67:50-56.

[7]	Zhao L, Ji H, Li S, et al. The charge dynamics of PBDB-TF∶IT-4F based non-fullerene organic solar cells with 1,8-diiodooctane additive[J]. Applied Surface Science, 2021,569:151120.

[8]	Xia X, Mei L, He C, et al. Revealing the crystalline packing structure of Y6 in the active layer of organic solar cells:The critical role of solvent additives[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2023, 11(40):21895-21907.

[9]	Liu H, Shi K, Lai J, et al. Simultaneously optimizing molecular stacking and phase separation via solvent-solid hybrid additives enables organic solar cells with over 19% efficiency[J]. Chinese Journal of Chemistry, 2024, 42(24):3234-3242.

[10]	Xu S, Zhang Y, Sun Y, et al. An unprecedented efficiency with approaching 21% enabled by additive-assisted layer-by-layer processing in organic solar cells[J]. Nano-Micro Letters, 2025, 17(1):37.

[11]	Luo Z, Wei W, Ma R, et al. Approaching 20% efficiency in ortho-xylene processed organic solar cells by a benzo [α] phenazine-core-based 3d network acceptor with large electronic coupling and long exciton diffusion length[J]. Advanced Materials, 2024, 36(41):e2407517.

[12]	Dong S, Jia T, Zhang K, et al. Single-component non-halogen solvent-processed high-performance organic solar cell module with efficiency over 14%[J]. Joule, 2020, 4(9):2004-2016.

[13]	Wu X, Jiang X, Li X, et al. Introducing a phenyl end group in the inner side chains of A-DA’D-A acceptors enables high-efficiency organic solar cells processed with nonhalogenated solvent[J]. Advanced Materials, 2023, 35(48):e2302946.

[14]	Lei Y, Shang T, Qiu Y, et al. Self-doped alcohol-soluble small molecules as cathode interface layers for organic solar cells[J]. Progress in Organic Coatings, 2025,200:109060.

[15]	刘莎. 高效有机太阳能电池及其器件特性研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2019.

[16]	Gao W, Ma R, Pena T, et al. Efficient all-small-molecule organic solar cells processed with non-halogen solvent[J]. Nature Communications, 2024, 15(1):1946.

[17]	Pang S, Chen Z, Li J, et al. High-efficiency organic solar cells processed from a real green solvent[J]. Mater Horiz, 2023, 10(2):473-482.

[18]	Gao S, Zhang Y, Jeong S, et al. Ameliorated trap density and energetic disorder by strengthened intermolecular interaction strategy to construct efficient non-halogenated organic solar cells[J]. Energy & Environmental Science, 2024, 17(15):5542-5551.