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  有機薄膜光伏，尤其是基于非富勒烯體系的薄膜光伏，是化學與材料科學領域的熱點研究方向。新材料的開發(fā)與器件的優(yōu)化，不斷推動器件性能的發(fā)展，迄今已實現(xiàn)超過17%的能量轉化效率，接近應用水平。中國在此研究領域已經(jīng)走在了世界的最前列，國內多個課題組在有機太陽能電池的研究中取得了快速發(fā)展。

  全聚合物體系因其溶液黏度高，機械性能好，結晶性較小分子弱等特點非常適用于印刷器件的制備。目前大多數(shù)的研究采用旋涂方法制備活性層薄膜，該過程在物理本質上極大地區(qū)別于工業(yè)印刷，尤其是在形貌控制及其對應的光電轉化過程中，造成薄膜形貌與器件性能在本質上的區(qū)別，因此很難將旋涂工藝轉移到工業(yè)應用上。

  基于此，上海交通大學劉烽教授團隊選用了當前高效的全聚合物體系（PTzBI-Si:N2200），采用狹縫涂覆的制備方法，通過加工溶劑的選擇及不同的后處理方式（熱退火、溶劑退火）將共混膜形貌鎖定在合適的動力學路徑中，并最終實現(xiàn)了11.76%的能量轉換效率，這是目前全聚合物太陽能電池體系報導的最高效率。

圖1. 不同加工溶劑和后處理方式的活性層形貌圖（AFM、SNOM、TEM）

  研究發(fā)現(xiàn)，聚合物材料在2-甲基四氫呋喃（MTHF）溶劑中的堆積性相比于氯苯中更好，同時這種在溶液中的聚集狀態(tài)在可以很好的轉移到薄膜中，并誘導形成多尺度相分離形貌（圖1），最終獲得高效率器件。這當中的關鍵在于相分離和結晶之間的平衡。合適的加工溶劑可以有效調控聚合物在溶液中的聚集，印刷成膜后，聚集態(tài)作為種子誘導聚合物結晶，最終形成了結晶纖維網(wǎng)絡，并浸沒在非晶態(tài)中。這種形貌有效提高了激子分離并實現(xiàn)高的載流子傳輸，提高了器件的短路電流和填充因子。同時，這種多尺度的相分離形貌還具有很好的穩(wěn)定性。利用掠入射廣角X射線散射（GIWAXS），共振軟X射線散射（R-SoXS），透射電子顯微鏡（TEM），掃描近場光學顯微鏡（SNOM）和原位GIWAXS/GISAXS等手段，對BHJ薄膜的形貌及其形成過程進行了表征，建立了結構-性能的對應關系（圖2、圖3），深入理解活性層形貌結構與器件性能的構效關系，最終構筑高效率印刷薄膜器件。

圖2. 純膜及共混膜在不同加工條件下的GIWAXS圖和加工條件與晶體尺寸、相分離尺度及器件參數(shù)的對應關系

圖3. BHJ成膜過程的原位GIXD分析和形貌形成過程示意圖

  上述成果發(fā)表在Advanced Materials上。論文的第一作者為上海交通大學化學化工學院博士后朱磊，通訊作者為劉烽教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201902899