近日，南华大学机械工程学院李振业教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（IF：15.1，中科院一区top）上发表了题为“Layer-optimized Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15triggering donor crystallization for high performance organic photovoltaics with nuclear radiation shielding”的研究论文。该论文介绍了一种适用于有机光伏器件（OPV）的活性层掺杂剂Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15，旨在同时增强OPV的功率转换效率（PCE）和核辐射屏蔽能力。李振业教授和丁玉风教授为论文通讯作者，硕士研究生邹传凯为第一作者，南华大学机械工程学院为论文署名第一单位。

在过去的十年里，OPV由于其生产成本低、重量轻、材料丰富和机械灵活性，在新兴光伏领域展示出巨大的潜力。虽然OPV在器件工程方面取得了重大进展，OPV的最高认证PCE超过19%，但是该PCE还不能满足OPV大规模商业化的需求。二维晶体由于其优异的高载流子迁移率、高吸收系数和合适的价带位置，可以用作实现有效电子级联转移的掺杂剂。众所周知，二维晶体的层数会显著影响其光电特性，但是二维晶体层数对OPV器件性能的影响尚未得到广泛关注与研究。因此，优化二维晶体层数并深入理解其层数对OPV成膜机制的影响对实现OPV器件性能的突破至关重要。

在这项工作中，研究人员采用液相剥离法合成了不同层数的二维Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15晶体，探究了不同层数的二维Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15掺杂剂对OPV活性层分子取向与器件性能的影响。研究人员通过掠入射广角X射线散射（GIWAXS）探讨了不同层数Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15掺杂剂对D18:L8-BO活性层堆积结构的影响。结果表明，基于双层Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15掺杂的活性层具有最小的π-π堆叠距离。在掺入双层Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15掺杂剂后，D18聚合物的结晶度增强，促进了电荷传输。分子动力学模拟表明，Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15倾向于分布在D18的结构域中。虽然增加Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15层数可以提高其吸附D18的能力，但它也会在D18的结构域中形成更大的空间位阻。双层Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15具有平衡的吸附能力和空间位阻，最大限度地诱导了D18的结晶，从而显著促进了电荷传输，有效抑制了D18:L8-BO器件中的体电荷复合。因此，基于D18:L8-BO器件的PCE从17.57%提高到19.59%，这是该OPV体系的最高PCE值之一。此外，双层Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15掺杂剂可以有效增强OPV的核辐射屏蔽能力。

不同层数Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15晶体的制备工艺；OPV活性层掺杂不同层数Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15晶体后的相对聚集趋势、分子动力学模拟、光伏性能以及核辐射屏蔽性能

研究人员探讨了不同层数二维Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15掺杂剂作用于OPV器件的物理机制。结果表明，基于双层Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15掺杂的OPV器件能够在促进激子产生和解离方面达到平衡，不会增加陷阱辅助的单分子复合，能抑制器件的双分子复合，从而提高了器件光电流。同时，基于双层Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15掺杂的OPV器件削弱了体电荷复合，有效填充了D18:L8-BO活性层的陷阱，降低了器件的漏电流，从而基于双层Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15掺杂的OPV器件具有最大的填充因子。

在D18:L8-BO活性层中掺杂不同层数Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15的制备OPV器件的物理机制

本研究表明二维掺杂剂Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15的层数调控可以同时增强OPV的PCE和核辐射屏蔽能力，能为开发面向核辐射屏蔽的有机光伏提供理论和实验依据。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152149