有機光伏太陽能電池由于質輕、柔性、可溶液加工等優勢吸引了廣泛關注。目前，單節電池的光電轉換效率已經突破18%，器件運行穩定性也獲得極大提高。有機太陽能電池的性能不僅依賴于有機半導體分子本征的光電性能，更依賴于半導體分子聚集體所表現出來的新性能。相同分子的不同聚集體會表現出截然不同的光電性能，因此深入研究分子聚集體科學對制備高效率有機光電器件意義重大。
武漢理工大學王濤課題組長期致力于分子及微納尺度下有機光伏太陽能電池分子堆疊和聚集的研究，發展聚集體調控新策略，研究聚集體結構對器件光吸收、激子解離和電荷傳輸等光電轉換過程的影響，指導制備高效率電池器件（Joule, 2019, 3, 819; Adv. Mater., 2017, 29, 1601674; Adv. Mater., 2017, 29, 1604044; Adv. Energy Mater., 2021, 11, 2003570; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2102189; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1807662; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704212; ACS Energy Lett., 2019, 4, 2378; Rep. Prog. Phys., 2019, 82, 03661; Appl. Phys. Rev., 2019, 6, 041405; J. Energy Chem., 2021, 54, 131; J. Energy Chem., 2019, 37, 148; Sci. China Chem. 2020, 63, 1461; Sci. China Chem. 2019, 62, 1221;）。
目前有機太陽能電池的制備主要依賴于鹵代溶劑，對健康和環境造成巨大威脅，因此擺脫對鹵化溶劑的依賴是這類器件走向商業化必須要跨越的障礙。然而有機光伏材料在無鹵溶劑中的溶解度有限，器件吸光層組分的分子排列和聚集形態會產出顯著的變化，不利于高效率的光電轉換過程，大幅度降低了器件效率和穩定性。
針對這一難題，近日，武漢理工大學王濤教授課題組與中科院福建物質結構研究所鄭慶東研究員團隊合作，以PM6:M36光伏電池為研究對象，通過熱場誘導聚集策略實現了高效率器件的無鹵溶劑制備。研究人員采用無鹵溶劑(Tol+PN)替代常用的鹵化溶劑（CF+CN），同時在溶液涂膜的過程中引入熱場來調控溶液成膜過程中的熱力學和動力學過程，實現了對吸光層形貌的精細調控，避免了大尺寸聚集體的形成，有利于電荷分離和傳輸，最終制備了比鹵代溶劑器件更高的效率，且該策略在二元和三元光伏體系中均適用，為無鹵溶劑制備高效率有機太陽能器件提供了一個良好的策略。
圖 1. 熱場誘導聚集策略提升非鹵代溶劑加工有機太陽能器件效率。
圖 2. 基于同步輻射大科學裝置的掠入角廣角和小角X射線測試以揭示相關器件的分子排列和聚集體形貌。
該工作近期以題為“Hot-Casting Boosts Efficiency of Halogen-Free Solvent Processed Non-Fullerene Organic Solar Cells”的論文發表在Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2105794。本研究得到了國家自然科學基金（52073221 and 21774097）和中央高；究蒲袠I務費專項資金資助項目（WUT: 2021III016JC）的支持，其中同步輻射掠入角廣角和小角X射線測試得到上海光源的支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105794
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