苏州大学李耀文课题组，Nature之后，再发Nature Materials！

　　高性能厚膜有机太阳能电池及组件新突破

　　北京时间2025年1月17日，苏州大学李永舫研究团队的李耀文教授等人在Nature Materials上发表了题为“Organic solar cells with 20.82% efficiency and high tolerance of active layer thickness through crystallization sequence manipulation”的研究性论文。该研究提出了有机太阳能电池活性层材料顺序结晶策略，实现了给、受体材料结晶在时间和空间上的多维度协同调控，获得了高结晶度、本体异质结梯度分布的活性层，有效延长了活性层中载流子扩散长度，突破了从薄膜活性层到厚膜活性层转换过程中电池效率损失的局限性，制备了高性能的小面积有机太阳能电池及大面积组件。论文通讯作者是李耀文教授；第一作者是陈海阳博士。

　　值得一提的是，2024年10月14日，苏州大学李耀文教授团队与合作者以苏州大学为第一通讯单位在《自然》（Nature）上发表研究论文“Strain regulation retards natural operation decay of perovskite solar cells”。这是继Nature之后的又一大作！

　　近年来，可溶液印刷有机太阳能电池由于具有轻质、柔性、结构简单、高通量制备等优点，在便携式能源、光伏建筑一体化展现了巨大的应用前景，有望突破晶硅电池在应用场景方面的局限性，成为一种颠覆性光伏技术。目前，有机太阳能电池认证效率（PCE）已经突破20%。然而，高效率有机太阳能电池通常基于约100 nm的薄膜活性层制备，其在高通量印刷时易产生孔洞，而活性层厚度增加会导致电池效率急剧降低，严重制约了产业化进程。

　　近日，苏州大学李耀文教授等人率先提出有机太阳能电池活性层的材料顺序结晶策略，实现了给、受体材料结晶在时间和空间上的多维度协同调控，获得了高结晶度、本体异质结梯度分布的活性层，有效延长了活性层中载流子扩散长度，并显著降低了电池效率对活性层厚度变化的敏感性。

　　图1：活性层材料分子式及AT-β2O单晶结构研究。

　　首先，作者将Y6分子中并噻吩β位置的-C 11H 23侧链替换成低聚乙二醇（OEG）侧链设计合成了非对称的调节剂分子AT-β2O。研究发现，高极性OEG侧链的引入，不仅可以增加弱键作用位点、提高分子偶极，还能构筑分子内构象锁，提高分子共平面性。得益于此，AT-β2O的单晶结构表现出更多的二聚体堆积模式和更致密的分子堆积。

　　图2：薄膜结晶性及结晶动力学研究。

　　受体薄膜的GIWAXS结果显示，AT-β2O不仅自身表现出更强的结晶，而且还能诱导N3分子在成膜过程中形成更有序的分子堆积。二维核磁和原位荧光吸收的测试结果表明，在次级键相互作用力之下，AT-β2O的加入推迟了N3结晶的时间。此外AT-β2O对N3的诱导作用，随着膜厚的增加和给体的加入都依然存在。

　　图3：活性层中垂直相分离研究。

　　考虑到这受体成分的推迟结晶可能会影响给其在垂直方向上的沉积先后，作者对活性层的垂直项分布进行了表征。截面的扫描电子显微镜及二次离子质谱测试结果均表明，AT-β2O可以诱导活性层形成上层富受体，下层富给体的垂直相分离分布。这一结果在不同基底（ITO，ITO/PEDOT:PSS, ITO/2PACz）、不同厚度（100—400 nm）的活性层中均被证实。

　　图4：活性层成膜动力学研究。

　　接着，作者通过原位GIWAXS和原位吸收表征对活性层薄膜的结晶动力学进行了研究，发现：在D18-Cl:N3中引入AT-β2O后，AT-β2O可以提高N3的溶解度，降低D18-Cl的溶解度，导致活性层出现先给体结晶、沉积，随后给受体共同沉积，最后残余受体沉积到活性层顶部，从而形成底部富给体，中间均匀的异质结，顶部富受体的本体异质结梯度分布的垂直相分离结构。这一结构既提供了充足的给受体界面，保证激子解离的效率，又促进了载流子的高效、平衡传输。

　　图5：小面积有机太阳能电池性能参数。

　　得益于此，作者基于100、250、400 nm活性层制备的小面积单节有机太阳能电池均获得了纪录效率（20.82%，19.15%，17.93%），相关性能在权威机构（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）得到认证，显著降低了电池效率对活性层厚度的敏感性。

　　图6：大面积组件性能参数及器件稳定性研究。

　　最终，作者基于高通量印刷制备的厚膜活性层，大面积（15.03 cm2）模组创下18.04%的纪录认证效率，且器件工作稳定性显著提高。该工作解决了可高通量印刷有机光伏大面积组件制备过程中的瓶颈问题，将加速推动有机太阳能电池的产业化进程。

　　相关论文信息：

　　https://www.nature.com/articles/s41563-024-02062-0

　　来源：高分子科学前沿

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