研究背景
有機太陽能電池（OSCs）的功率轉換效率已超過20%，這一進展中，形態優化發揮了重要作用。普遍認為，處理溶劑（或溶劑混合物）有助于優化形態，進而影響OSC的效率。為了解決這一問題，瑞典林雪平大學高峰教授、蘇州大學李耀文、吉林大學王同輝等人在“Nature Energy”期刊上發表了題為“Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control”的最新論文。本文開發的OSC顯示出對多種處理溶劑的強容忍性，所有器件的功率轉換效率均達到約19%。本文通過實驗和計算方法研究溶液狀態、薄膜形成動力學及加工薄膜的特性，作者確定了控制形態的關鍵因素，即受體材料側鏈與溶劑之間的相互作用，以及供體與受體材料之間的相互作用。作者的工作為長期以來形態控制的難題提供了新的理解，并為設計面向實際應用的OSC材料提供了有效的指導，尤其是在大規模加工中對綠色溶劑的需求下。
研究亮點
1.實驗首次開發了具有廣泛溶劑適應性的非富勒烯受體材料BTP-TO2，并在多種溶劑中成功形成高效的有機太陽能電池（OSC）。通過這一新材料的應用，所有器件的功率轉換效率（PCE）穩定在19%左右。2.實驗通過溶液狀態、分子動力學計算和薄膜形態分析，深入探討了材料的形態控制機制。研究發現，溶劑與非富勒烯受體（NFA）側鏈之間的相互作用以及供體和受體材料間的相互作用是影響形態的關鍵因素。通過優化這些相互作用，能夠確保薄膜形態在不同溶劑下的穩定性。3.實驗進一步揭示了OEG側鏈與溶劑之間的強相互作用如何控制分子的剛性構象。這一控制機制有助于保持受體材料在溶液中的穩定分子構象，從而促進了形態的優化，并增強了器件的光伏性能。4.實驗通過系統的溶液到薄膜沉積過程研究，明確了組分沉積動力學和結晶過程對混合膜形態的影響。研究表明，精確控制沉積過程能夠有效調控混合膜的結晶特性，進一步提高器件性能。
圖文解讀
圖1：化學結構、在不同溶劑中的吸收光譜及Flory–Huggins相互作用參數的分子動力學計算。圖2：PM6:BTP-TC8和PM6:BTP-TO2混合物中的溶液狀態及組分間的分子間相互作用。圖3：OEG側鏈與溶劑之間強相互作用控制的剛性分子構象示意圖。圖4：從溶液到薄膜的組分沉積動力學及混合薄膜的結晶特性。
結論展望
本文展示了通過不同溶劑加工的大面積高性能有機太陽能電池（OSCs）。研究表明，溶液狀態（可通過分子設計進行調控）在確定OSCs的形貌（進而影響其性能）方面起著關鍵作用?；趯@一過程的深入理解，作者提出了有效控制共混物形貌結構的設計規則：增強小分子受體側鏈與溶劑的相互作用，確保受體在各種溶液中保持穩定的分子構象；減弱聚合物供體與非富勒烯受體在溶液中的分子間相互作用，促進聚合物供體呈現棒狀構象，并優先沉淀，從而確保薄膜形成動力學對共混膜形貌的影響最小。作者的材料設計原則為新型供體和受體材料的化學結構設計提供了重要指導，為使用環保溶劑加工的高性能OSCs的商業化鋪平了道路。 Zhang, R., Chen, H., Wang, T. et al. Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01678-5
