有机光伏器件（OPVs）能耗低、效率高，是目前国内外研究的热点之一。本体异质结共混活性层作为器件的核心部分，其作用是吸收太阳光、产生并分离激子，从而形成光电流。理论上来分析，厚度过小不能充分吸收太阳光，会使光生载流子数减少，效率降低；厚度过大，能更充分地吸收太阳光而产生更多的激子，但是却增大了激子的复合几率和电池的串联电阻[1]，这为商业化生产造成了一定的难度。本文介绍了电子科技大学的Junsheng Yu 教授和耶鲁大学的André D. Taylor教授等[2]以二苯醚作为溶剂添加剂制备高厚度活性层的研究。

作者首先制备溶剂添加剂含量不同的活性层。器件构架为(ITO/ZnO) (40 nm)/PTB7:PC₇₁BM (80~180 nm)/MoO₃(15 nm)/Ag (100 nm)。其中共混体系PTB7:PC₇₁BM的质量比为1:1.5，浓度为25 mg/mL，溶剂添加剂二苯醚的浓度为1~5 vol%，在转速为1,000 rpm下旋涂60 s。设备架构和活性层的化学材料结构如图1所示：

图1. OPV设备架构和活性层化学材料结构[2]

二苯醚做溶剂添加剂的有机光伏器件的性能

当膜厚度大约在110 nm，入射光量一致时，未添加二苯醚的器件，由于不理想的聚合物共混堆砌以及PCBM的大范围相聚集，不仅短路电流密度（J_sc）很低(8.0 mA/cm² )，器件的填充因数（FF）也很差 (33.7%)，能量转化效率仅为1.75%。而溶剂中二苯醚的加入使得J_sc和FF都有所增强，当二苯醚的浓度增加到4 vol%时，可使器件的光电转化效率达到最高，为5.92%，比无溶剂添加剂器件提升至大约三倍（如图2a所示）。从外量子效率检测结果可见，二苯醚在溶剂中的添加大大提高了器件的外量子效率。

图2.(a) 有机光伏器件的J-V特征曲线；(b)不同溶剂添加剂的器件的外量子效率光谱[2]

共混活性层的形貌表征

本体异质结共混活性层的形貌结构会影响能量转化率。用AFM对活性层的形貌特征(如图3所示)进行考察。未添加二苯醚时，活性层表面非常粗糙，呈钉状，均方根粗糙度为2.72 nm；随着二苯醚的添加，表面形貌变的十分光滑。推测二苯醚诱导了平面共混聚合物网络结构的形成，影响了电荷传输效率，提高了能量转移效率。总体上来讲，溶剂添加剂的添加会通过改变表面形貌来影响元件的性能。

图3. PTB7:PC₇₁B体系本体异质结共混膜在有无二苯醚添加剂条件下的AFM 3D 展示图(a)和(b)以及相位图像(b)和(d) [2]

使用GI-XRD更进一步探讨PTB7:PC₇₁BM 本体异质结的堆砌情况。添加1,8二碘辛烷（DIO）的PTB7:PC₇₁BM的本体异质结与无添加剂的特征峰一样，强度均为350，2θ = 22°。这个结果表明DIO的添加并不能改变PTB7的结晶度。然而，添加了4%二苯醚的PTB7:PC₇₁BM的本体异质结的峰强度增为450，2θ = 19.8°，这意味着二苯醚的添加确实能够促进PTB7的有序堆砌（如图4所示），这种有序堆砌促进了电荷长距离传输。

图4. 有无溶剂添加剂的PTB7:PC₇₁BM本体异质结的GIXRD图谱 [2]

二苯醚添加剂在有机光伏器件商业化生产中的潜力

通过之前的实验已经证明4 vol%的DPE添加量为最佳添加量，固定添加浓度和光电子量，改变活性层的厚度，考察对于不同厚度的活性层，二苯醚是否仍然能够提高能量转换效率。活性层的厚度从80 nm依次增加到180 nm。最后结果表明，二苯醚在活性层厚度为180 nm时仍然比传统添加剂优异。

改变活性层的表面形貌可以进一步改善有机光伏器件的能量转化效率，添加溶剂添加剂是目前最简易有效的方式。供体选择性溶剂添加剂二苯醚能够增强总体光吸收，进而提高填充因数和光电流采集，降低串联电阻，抑制双分子重合，有效增加低带隙聚合物的OPVs的活性层厚度，可将活性层厚度为180 nm的有机光伏器件的能量转化效率提高至三倍。