西安交大科研人员在有机半导体薄膜相变领域取得重要进展

共轭有机半导体具有廉价、可溶液加工、柔性等优点，在有机场效应晶体管（OFETs）、有机太阳能电池（OSCs）等有机电子领域得到广泛研究。在OSCs中，新开发的Y6及其衍生物是最先进的小分子受体之一。时至今日，研究者开发了众多有机半导体材料，将有机光电器件的性能推进到了应用的门槛，然而，有机薄膜的表征却常常被人忽视，特别是在空间（薄膜深度方向）与时间（薄膜制备过程）多维度下的深入表征，这将极大地限制有机光电器件的进一步发展。因此，开发新型聚集态结构表征技术以及原位测试手段，并借此探究有机半导体薄膜在空间与时间多维度下的聚集态逐渐成为有机光电器件领域内的热点。

为此，在前期研究的基础上，西安交通大学前沿院鲁广昊教授团队采用亚层吸收光谱（FLAS）技术，结合动态光反射/散射/荧光光谱技术，分析了DIO/CN添加剂对PBDB-T:ITIC（包括ITIC衍生物）和PM6:Y6共混物的相演化和垂直形貌的影响。由于DIO:ITIC溶液表面的旋节线相分离，薄膜表面形成了高度有序的ITIC表面态分子层。热退火（TA）处理之后，高度有序的ITIC表面态分子层由于Oswald熟化作用而被薄膜内部的ITIC晶体同化，产生结晶度的退化，此时电子迁移率反而上升，器件性能也因此提升。相反，CN:Y6共混物在表面发生双节线相分离，这与液体本体中的情况相似。TA处理对于Y6体系而言仅仅带来微弱的结晶性提升，因而PM6:Y6器件性能在TA之后没有较大提升。表面相分离的形成会对光伏性能产生重要影响。这项工作开发了新型的动态表征技术，并应用其重新解释了在有机半导体共混薄膜中，使用高沸点添加剂和（TA）处理的基本原理，有助于指导制备高性能OSCs和其他有机电子器件。

图1 添加或不添加0.5% DIO的CB溶液中PBDB-T:ITIC表面相分离和成核过程的随时间变化的动态光谱检测，

以及DIO:ITIC和CN:Y6的添加剂/受体液-固转变相图

图2 添加剂富集表面成膜过程示意图

该成果以《有机太阳能电池中小分子受体与添加剂的表面旋节线相分离诱导的表面结晶性增强》（Surface Crystallinity Enhancement in Organic Solar Cells Induced by Spinodal Demixing of Acceptors and Additives）为题发表于能源科学领域顶级期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science），论文第一单位为西安交通大学前沿科学技术研究院与电力设备电气绝缘国家重点实验室，第一作者为西安交通大学前沿院博士生沈子超，鲁广昊教授、朱远惟副教授以及俞金德博士为论文通讯作者。

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