有機光伏器件由于其良好的溶液加工性，可制備柔性器件，透明度和顏色可調等獨特優勢受到領域內研究人員的廣泛關注。其中，基于全聚合物的太陽能電池 (all-polymer solar cells) 由于其自身良好的力學性能和優異的器件穩定性，被認為是更有可能實現未來應用的光伏器件。然而，目前報道的高效率全聚合物太陽能電池 (PCE>15%)均基于旋涂方法，由于旋涂法(spin coating)自身浪費材料，難以大面積制備，成膜時間較短等原因，亟待開展基于可適用于未來規模化生產的溶液印刷方法的高效率全聚合物的太陽能電池, 其相關成膜機理也需要深入研究。
近日，中國科學院理化技術研究所江雷院士、王京霞研究員團隊與北京航空航天大學化學學院霍利軍教授團隊合作開發了一種基于彎液面誘導成膜(Meniscus Assisted Coating)的光伏活性層制備技術，并選取了具有良好吸收光譜互補和電子能級匹配的聚合物給體PM6和聚合物受體PY-IT作為光活性層材料，所制備備的全聚合物太陽能電池效率為15.53%，高于傳統旋涂法制備的14.58%。相關活性層形貌表征及瞬態吸收光譜動力學分析表明，基于彎液面誘導成膜法制備的活性層具有更有序的分子堆積和更為良好的纖維互穿網絡結構，因此具有更高效的電荷轉移和輸運過程。
研究團隊結合成膜過程中的三相接觸線的移動和原位吸收光譜研究了不同溶液剪切速度條件下的三相接觸線形態和材料結晶動力學。結果表明，在剪切速率為2 mm/s時，三相接觸線保持了平直均勻的移動；且在該剪切速率下，活性層材料保持了較為合適的結晶速率和結晶性，從而獲得形貌上更均勻、具有更合適相分離尺寸和結晶性的活性層薄膜。
在此成膜機理的基礎上，研究團隊將該彎液面誘導成膜法有效拓展至1×1 cm器件制備(PCE>12%)和多種活性層薄膜制備，在PM6:Y6、PBDB-T:PY-IT、PM6:PYF-T-o體系均取得了15%以上的器件效率。
圖1.基于彎液面誘導成膜法的制備過程，活性層材料分子結構及性質，單組分薄膜結晶性表征。
圖2.基于彎液面誘導成膜法和旋涂法制備的全聚合物太陽能電池的器件性能及瞬態吸收光譜表征。
圖3.基于彎液面誘導成膜法和旋涂法制備的活性層薄膜形貌和結晶性表征。
圖4.基于彎液面誘導成膜法的成膜機理及成膜過程中不同剪切速率下的三相接觸線形態和移動。
圖 5.基于彎液面誘導成膜法成膜過程中不同剪切速率下的原位吸收光譜及對應的結晶過程示意圖。
本工作的開展不僅提供了一種簡單有效的制備全聚合物太陽能電池的溶液印刷方法，并對剪切速率的不同對成膜形貌的影響提供了重要的理論指導。
相關研究結果以 “The Meniscus-assisted-coating with Optimized Active Layer Morphology towards Highly Efficient All-polymer Solar Cells”發表在《Advanced Materials》上。該文章通訊作者為中國科學院理化技術研究所王京霞研究員和北京航空航天大學霍利軍教授。第一作者為中國科學院理化技術研究所博士研究生岳鈺琛。中國科學院理化技術研究所江雷院士為本研究提供了專業的指導和幫助。特別感謝北京大學占肖衛教授的在課題開展過程中給與的指導和幫助。
感謝國家自然基金項目（51873221，52073292，51673207，51373183），國家重大研究計劃項目（2017YFA0204504）與中國科學院荷蘭研究項目（1A111KYSB20190072），北京市科技計劃項目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202108508
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