论文概览

全小分子有机太阳能电池（all-SMOSCs）一直卡在一个尴尬的位置——小分子材料纯度高、批次一致性好、易纯化，理论上比聚合物体系更适合规模化，但PCE始终被压制在~18%一线，填不上的坑在于电荷管理与形貌控制的双重短板。针对这一问题，武汉大学闵杰团队通过混合异构体四元策略实现效率里程碑：冠军器件PCE达19.06%（经国家计量院认证18.7%），创该体系效率新高。研究选用溴代位置异构体BTP-Br-γ（低能量损失）与BTP-Br-δ（高结晶传输）作为混合客体，嵌入高性能宿主体系MPhS-C2:BTP-eC9，协同优化激子解离、电荷传输与形貌稳定性。该四元器件兼具优异厚度耐受性（300 nm厚膜PCE仍达17.05%）和热稳定性（120℃老化200小时效率保持＞85%），为全小分子电池迈向商业化提供了高效、可放大的材料设计新范式。该研究以“Mixed-Isomers Strategy for Thermally Stable and High-Performance Thick-Film All-Small-Molecule Organic Solar Cells”为题发表在期刊Advanced Materials上。

技术亮点

1.异构体功能互补

BTP-Br-γ（高PLQY/低能量损失）与BTP-Br-δ（强π-π堆叠/高迁移率）通过溴取代位点差异实现性能分工，混合后平衡了电压输出与电荷传输的矛盾。

2.四元形貌精准调控

以BTP-eC9为主基质，微量混合异构体作为"形貌锚"，既抑制过度相分离（AFM粗糙度仅0.55nm），又增强分子堆积（π-π距离缩至3.47Å，CCL增至25.93Å）。

3.厚膜/热稳定性双突破

混合异构体将相变温度从113.3℃提升至158.8℃，使300nm厚膜PCE保持17.05%，120℃老化200小时后效率仍超初始值85%，解决小分子体系放大难题。

研究意义

✅打破效率天花板，确立小分子体系竞争：将全小分子电池认证效率推至18.7%，打破该体系长期落后于聚合物的局面，证明通过多组分工程，小分子路线具备冲击效率极限的实力。

✅开创“混合异构体”范式，革新材料设计逻辑：论文系统论证了OSMAs作为介于小分子摒弃单纯合成新分子的思路，利用溴代异构体的功能互补（低损耗 vs 高结晶）实现“存量优化”，为材料开发提供了低成本、高确定性的新路径。

✅攻克厚膜与热稳定性难题，直指产业化痛点：通过提升相变温度至158.8℃，实现300 nm厚膜下的高留存率及120°C老化后的优异稳定性，解决了器件放大与长期运行的致命短板，打通了商业化落地的关键堵点。

深度精读

化学结构显示，BTP-Br-γ与BTP-Br-δ仅在末端溴原子取代位点存在差异，却导致显著的物性分化：BTP-Br-δ薄膜吸收红移达62 nm，GIWAXS证实其π-π堆叠更紧密（CCL=18.84 Å），电子迁移率（1.51×10-3cm2 V-1 s-1）优于BTP-Br-γ（9.68×10-4）；而BTP-Br-γ凭借更高的PLQY有效抑制非辐射复合。能级测试表明三者LUMO/HOMO呈梯度分布，为四元体系能级调控提供基础。

J-V曲线与参数汇总表明，四元体系（MPhS-C2:BTP-eC9:BTP-Br-γ:BTP-Br-δ）实现19.06%的冠军PCE（认证18.7%），较二元宿主（17.19%）显著提升，源于Voc（0.907 V）、Jsc（26.66 mA cm-2）与FF（78.82%）的协同优化。EQE光谱显示四元器件在500-650 nm及750-800 nm波段响应增强，积分Jsc与J-V结果吻合。能量损失分析揭示，四元体系Eloss（0.495 eV）低于二元宿主（0.504 eV），FTPS-EQE进一步证实其非辐射复合损失（ΔE3=0.162 eV）最低，EQEEL（1.67×10-3）验证了混合异构体有效抑制了能量损耗。

飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）显示，四元薄膜激子解离时间（τ1=1.6 ps）与扩散时间（τ2=10.5 ps）均短于二元体系，表明混合异构体加速了电荷产生。Jph-Veff测试证实四元器件具有更高的激子解离效率（Pdiss=98.6%）与电荷收集效率（Pcoll=89.3%）。SCLC与光强依赖测试表明，四元体系实现了更平衡的载流子迁移率（μe=9.23×10-4, μh=8.82×10-4cm2 V-1 s-1），且陷阱辅助复合被抑制（斜率降至1.15 kT/q）。TPV结果显示四元器件载流子寿命延长至17.6 μs，大幅降低了复合损失。

AFM图像显示，MPhS-C2:BTP-Br-γ:δ三元薄膜因过度结晶导致表面粗糙度升高（Rq=0.99 nm），而引入BTP-eC9的四元薄膜粗糙度降至0.55 nm，形成了利于电荷传输的连续互穿网络。GIWAXS结果表明，四元薄膜同时具备更小的π-π堆叠距离（3.47 Å）和更大的相干长度（CCL=25.93 Å），优于二元宿主体系（dπ-π=3.53 Å, CCL=21.01 Å）。这种紧密的分子堆积与优化的结晶性有效抑制了相分离，为SCLC测试中观测到的平衡且高迁移率提供了结构支撑，从而降低了电荷复合损失。

器件性能对比显示，当活性层厚度增至300 nm时，二元器件PCE骤降至14.91%，而四元器件仍保持17.05%。载流子扩散长度计算表明，四元薄膜的电子/空穴LD分别达205/200 nm，远超二元体系，确保了厚膜下的有效电荷收集。热老化测试（120°C）揭示关键差异：300 nm二元器件200小时后PCE仅剩35.7%，而四元器件保持>85%。

GISAXS监测显示，300 nm二元膜热老化后受体相区从39.8 nm暴增至110.1 nm，引发严重相分离；而四元膜相区尺寸几乎无变化。温度依赖吸收光谱证实，混合异构体将受体相变温度从113.3℃提升至158.8℃，高于老化温度120℃，从热力学上抑制了形貌演化。电荷层面验证显示，四元器件老化后激子解离效率仍近98%，Jsc-Plight拟合α值接近1，TPC电荷提取时间稳定，共同解释了其优异的热稳定性。

文献来源

Yuan Gao, Xinrong Yang, Lin-yong Xu. Mixed-Isomers Strategy for Thermally Stable andHigh-Performance Thick-Film All-Small-Molecule Organic Solar Cells. Advanced Materials, 2026.

https://doi.org/10.1002/adma.73370.

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