探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 035

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

035 添加剂的魔法：如何用极少量物质大幅提升性能？ 2025-10-18

在有机光伏技术中，添加剂确实像一种“魔法”，它们通常只需极少的用量，就能显著提升电池的光电转换效率和稳定性。这背后的科学，主要在于添加剂能精准地调控光活性层的形貌。

下面这个表格，可以帮你快速了解添加剂如何施展“魔法”：

作用方向 核心目标 常见添加剂类型/案例 实现的效果
调控活性层形貌 诱导给/受体材料形成理想的双连续互穿网络结构，优化电荷传输路径。 挥发性固体添加剂：如1, 3, 5-三溴苯(TBB)、DBDF；溶剂添加剂：如卤代噻吩 促进分子有序排列，形成更优的相分离尺寸，提高电荷生成与提取效率。

钝化材料缺陷 减少因晶体缺陷导致的电荷复合，提升开路电压。 多功能小分子：如二氟甲基膦酸二乙酯(2F-PAE)，其P=O、C-O基团能与钙钛矿中的Pb²⁺配位，钝化深能级缺陷。 抑制非辐射复合能量损失，提升器件开路电压和填充因子。

增强器件稳定性 提高电池对水分、光照和热的耐受能力。 疏水基团添加剂：如2F-PAE中的-CF₂基团能提升薄膜疏水性；全聚合物活性层与纳米颗粒TiO₂电子传输层组合。 阻挡水氧侵蚀，稳定钙钛矿结构，延长器件寿命。

简化制备工艺 无需复杂后处理，降低成本，便于产业化。 高挥发性固体添加剂：如DBDF，能在成膜过程中完全挥发，无需后续退火即可获得高性能铸态电池。 简化工艺流程，制备的铸态有机太阳能电池效率可超过20%。


深入理解添加剂的“魔法”原理

添加剂的核心作用，是精准调控光活性层的微观世界：

调控成膜动力学：在溶液成膜过程中，高沸点溶剂添加剂（如卤代噻吩）或挥发性固体添加剂

能延缓溶剂挥发速度，为给体和受体分子提供足够的迁移和自组装时间，从而形成更有序的分子堆积。

优化相分离形貌：给体和受体材料需要形成纳米尺度的双连续互穿网络，即所谓的本体异质结结构。添加剂能诱导形成理想的P-i-N型垂直相分离结构，为激子分离和电荷传输提供最佳路径。

钝化深浅能级缺陷：多晶薄膜中存在大量缺陷，会捕获载流子引发非辐射复合。一些添加剂分子中的特定基团（如2F-PAE中的P=O、C-O和-CF₂）可以与这些缺陷位点（如未配位的Pb²⁺）发生相互作用，有效钝化缺陷，抑制电荷复合。

诱导有序分子堆积：特别是对于非富勒烯受体，挥发性固体添加剂的分子结构可以嵌入受体分子之间，通过分子间相互作用（如卤素键）诱导受体分子更紧密、更有序地堆积，从而提高电子迁移率。


主要的添加剂类型及其特点

根据其物态和挥发性，主要可分为以下几类：

固体添加剂：特别是挥发性固体添加剂（如DBDF、TBB），是近年来的研究热点。它们在成膜后能完全挥发，不留残留，避免了溶剂添加剂可能带来的稳定性问题，同时能更精确地调控受体的结晶行为。

溶剂添加剂：通常是高沸点液体（如卤代噻吩）。它们通过与主体溶剂和光伏材料“相似相溶”，选择性溶解其中一相，从而调控结晶动力学和相分离。但残留的溶剂添加剂可能对器件长期稳定性不利。

多功能小分子添加剂：这类添加剂被设计用于同时解决多个问题。例如在钙钛矿电池中使用的2F-PAE，既能钝化深、浅能级缺陷，其疏水基团又能提升环境稳定性，实现“一剂多效”。


未来的发展方向

添加剂研究的未来，聚焦于更精准、更实用的方向：

分子设计理性化：基于“相似相溶”或特定分子间相互作用（如卤素键）的原理，定向设计添加剂分子，实现对特定材料体系形貌的精准调控。

工艺简化：开发更高挥发性的固体添加剂，致力于实现无需复杂后处理（如热退火）的高性能“铸态”器件，这对降低产业化成本意义重大。

稳定性提升：设计和选用能增强活性层疏水性或与更稳定的电子传输层（如纳米颗粒TiO₂）相匹配的添加剂，是提升器件寿命的关键。