有机半导体因其柔韧性、轻质和溶液可加工性等优点，在柔性电子、半透明光伏等领域展现出广阔应用前景。然而，其分子间作用力较弱，易在薄膜中形成无序聚集结构，导致能量无序度较高，成为制约器件性能提升的关键瓶颈。针对这一挑战，四川大学高分子科学与工程学院程沛研究员/王嘉宇副研究员团队联合北京大学周欢萍教授团队，创新性地提出了一种利用邻苯二甲酸酯类分子作为“组装诱导剂”的策略，通过调控有机半导体侧链的相互作用，有效提升了分子堆积的有序性，显著降低了材料的能量无序度，进而显著改善了器件性能，对于制造高性能的有机电子器件具有重要的研究意义。相关成果以《Suppressing Energetic Disorder of Organic Semiconductors for Semitransparent Photovoltaics and Thin-Film Transistors》为题发表在Advanced Materials上。
研究团队开发了一系列邻苯二甲酸酯类的组装诱导剂，发现组装诱导剂在多种p型有机聚合物半导体中均存在一定的普适性，并通过多种表征手段，从分子到器件层面系统研究了组装诱导剂的作用机理。以组装诱导剂邻苯二甲酸二辛酯（DOP）和p型有机聚合物半导体PM6为例，紫外-可见吸收光谱表明，经DOP处理后，PM6薄膜的0-0/0-1峰强度比提升，吸收半高宽收窄11%，吸收拖尾被显著抑制，这一定程度上表明了分子排列有序度的提高。掠入射广角X射线散射结果表明，组装诱导剂显著增强了PM6聚合物的层状堆积和π-π堆叠有序性，相干长度大幅增加。分子动力学模拟进一步揭示，DOP分子分布于PM6堆积簇周围，通过与侧链相互作用，诱导分子骨架形成更具序性的长程排列。光热偏转光谱证明，经过DOP处理后，PM6薄膜的乌尔巴赫能从98.0 meV显著降低至74.6 meV，降低了24%，标志着能量无序性得到了有效抑制。
有序性的提升为器件性能带来了明显的提高。在有机场效应晶体管中，DOP处理将基于PM6的器件的平均空穴迁移率从0.15 cm2 V−1 s−1提升至0.20 cm2 V−1 s−1，增幅达33.3%。在应用前景广阔的半透明有机太阳能电池中，该策略展现出独特优势：器件在维持13.7%光电转换效率的同时，平均可见光透过率由30.4%提升至33.8%。这主要归因于更有序的分子堆积导致吸收光谱半高宽收窄、吸收拖尾减弱，使得器件在视觉上更透明。进一步的器件物理分析表明，器件吸光变少但光电流基本不变源于双分子复合受到抑制、电荷载流子寿命延长以及电荷提取能力的增强。最终，电池获得了高达4.63%的光利用效率，为目前无光学结构半透明有机太阳能电池的最高值之一。该工作不仅提出了一种简单、通用且高效的新方法抑制有机半导体的能量无序，还从分子相互作用的层面深化了对有机半导体聚集行为的理解，为制备高性能有机电子器件开辟了新途径。
该论文的第一作者为高分子科学与工程学院博士生胡颖玥，通讯作者为王嘉宇副研究员、周欢萍教授和程沛研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金、四川省科技计划、先进高分子材料全国重点实验室等的资助，并获得了北京同步辐射装置、四川大学分析测试中心等的支持。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202515077
来源：川大高分子
