山东大学张茂杰教授团队在有机太阳能电池活性层形貌调控领域取得新进展

导读

近日，山东大学化学与化工学院国家胶体材料工程技术研究中心张茂杰教授团队在无添加剂有机太阳能电池领域取得突破性进展，创新性提出基于分子量调控聚集动力学的无添加剂形貌调控新策略，成功实现无添加剂条件下活性层形貌的精准优化，为高效、稳定、可规模化有机太阳能电池研发提供全新技术路径。相关成果以“Molecular-Weight-Regulated Aggregation Kinetics Enables Additive-Free Morphology Control for High-Efficiency and Scalable Organic Solar Cells”为题，发表于国际期刊Advanced Functional Materials（影响因子:19）。论文通讯作者为张茂杰教授、国霞教授。博士研究生孙逢博，吴敬男为论文共同第一作者，山东大学为论文第一单位。

有机太阳能电池凭借轻质、柔性、可低成本规模化制备等独特优势，成为下一代可持续光伏技术的重要发展方向。然而，无添加剂条件下同时实现高效率与长期稳定性，一直是制约其产业化的核心难题。传统高效器件高度依赖加工添加剂，其选型与浓度受材料化学结构严格限制，需大量试错迭代；微小配比波动会大幅提升加工复杂度，添加剂残留更会引发器件性能衰减、稳定性下降，严重阻碍商业转化进程。因此，在无添加剂体系下实现活性层形貌的精准可控，成为领域内亟待突破的关键科学问题。针对这一行业痛点，团队已开展系统性研究并取得深厚成果。此前，团队提出聚合物工程策略，利用聚合物成膜过程中的成核效应与结构导向作用，促进受体材料 L8-BO 有序堆积，借助刚性骨架引导受体相外延生长，构建连续纤维网络与均匀相分离结构，同步强化激子解离与电荷传输平衡，实现无添加剂有机太阳能电池效率与稳定性双提升，相关工作发表于国际期刊Energy & Environmental Science（影响因子 31，Energy Environ. Sci., 2025,18, 7071-7081）。

图1. 光伏材料的化学结构、形貌变化示意图、最佳器件效率和大面积模组器件效率。

本次最新研究延续团队研究方向，在前序工作的基础上实现了技术策略的进一步创新，其核心成果表明：聚合物共混是一种高效且无需添加剂的有机太阳能电池成膜形貌调控策略。通过系统阐明D18分子量对聚合物聚集能垒及固化时序的调控机制，研究发现低分子量与高分子量给体的性能局限源于其与受体组分的聚集动力学不匹配。基于这一动力学认知，团队开发了分子量共混策略，无需依赖任何加工添加剂即可精准调控给体聚集行为。低分子量与高分子量D18的共存拓宽并温和调节了给体固化过程，形成更优的给受体排列及电荷输运条件，最终基于D18-mix的器件实现了电荷输运平衡、复合损耗抑制及电荷提取效率提升，光电转换效率（PCE）高达20.0%。值得注意的是，这种动力学优化路径对分子量变化具有高度耐受性，在较宽的D18-L:D18-H共混比例范围内，器件效率均可维持在19%以上。

更具产业化价值的是，该本征动力学调控策略完美兼容先进器件结构与规模化制备：三元体系 D18-mix:L8-BO:AITC 效率进一步攀升至20.5%；有效面积达17.14 cm²的大面积模组，效率仍高达17.2%，充分验证了策略的高稳定性与强可扩展性。该成果无需增加加工复杂度，可高效利用不同分子量聚合物批次，显著缓解材料批次差异难题，为高性能有机太阳能电池商业化落地提供通用、可规模化的全新解决方案，推动高性能有机太阳能电池商业化进程提供了通用且可规模化的解决方案，为相关领域研发奠定了重要基础。

相关研究成果得到山东省自然科学基金、山东省泰山学者项目、山东大学杰出中青年学者和山东大学齐鲁青年学者计划的资助和支持。山东大学结构成分与物性测量平台为材料结构表征提供了重要支持。

来源：山东大学