Gradient Regulation of Acceptor Crystal Growth for Synergistically Elongating Exciton Diffusion Length and Mitigating Trap Density toward 20.8% Efficiency Organic Solar Cells

材料科学 化学物理 成核 接受者 有机太阳能电池 扩散 分子间力 三元运算 激子 能量转换效率 纳米技术 偶极子 Crystal(编程语言) 化学工程 晶体生长 位阻效应 有机电子学 光电子学 存水弯(水管) 扩散阻挡层 聚合物太阳能电池 部分
作者
Bo Cheng,Feng Hua,Fengbo Sun,Xinxin Xia,Yumiao Huo,H B Wang,Lixuan Kan,Chenyu Han,Xiaoyan Du,Xia Guo,F Liu,Yongfang Li,Maojie Zhang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.76118
摘要

ABSTRACT Controlling morphological evolution during film formation is crucial for high‐efficiency organic solar cells, yet complex intermolecular interactions often hinder controllable solution‐to‐solid growth, resulting in non‐ideal blend microstructures. Here, we report a kinetic‐gradient regulation strategy that enables programmable molecular self‐assembly using a two‐tier volatile solid additive (VSA) system with graded volatility. In this framework, highly volatile Tier‐1 VSAs initiate early‐stage acceptor nucleation and direct molecular packing, while lower‐volatility Tier‐2 VSAs prolong and relay additive–acceptor interactions into later drying stages. Additionally, by systematically tuning the halogen‐bonding propensity and dipole moment of Tier‐2 VSAs, both the strength and duration of additive–acceptor interactions are precisely regulated, enabling fine control over molecular self‐assembly and donor–acceptor interdiffusion. The resulting films exhibit tighter, more ordered packing and well‐regulated phase‐separation length scales, extending exciton diffusion and suppressing trap states, thereby enhancing short‐circuit current and fill factor. Consequently, D18:L8‐BO‐based binary devices achieve a champion efficiency of 20.5% (vs. 19.0% for the control) with improved photostability. This strategy also demonstrates scalability, delivering a 17.4% efficiency in large‐area modules, and generality, enabling 20.8% efficiency in ternary D18:L8‐BO:BTP‐eC9 devices. Overall, this work establishes a kinetic regulation paradigm for precisely directing morphological evolution of bulk‐heterojunction films toward high‐performance organic photovoltaics.
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