材料学院宋欣副教授和朱卫国教授在有机太阳能电池形貌调控方面取得重要进展

近年来，有机太阳电池（OSCs）因其具有质量轻、成本低、可溶液加工等优点，在物联网、建筑一体化等应用领域受到广泛关注。随着新型Y系列非富勒烯受体（Y6，BTP-ec9，L8-BO等）的出现，单结电池器件的光电转换效率（PCE）已超过19％，串联电池器件的认证PCE也已超过20%，有机太阳电池步入了实用化研究阶段。目前，有机太阳能电池活性层主要通过将两种能级匹配且能形成合适相分离结构的共轭分子（给体，受体）进行共混，形成本体异质结。由于给受体材料之间的相容性差异，异质结相分离会同时出现在水平和垂直方向维度，导致形貌调控非常具有挑战性。我校材料科学与工程学院宋欣副教授和朱卫国教授针对这一重大科学问题，联合攻关，在有机太阳能电池形貌调控策略方面取得了一系列重要原创性研究成果。

        1. 目前大多数高性能有机太阳能电池是使用毒性较大的卤化有机溶剂制成，如氯仿、氯苯和1,2-二氯苯等，对人类健康和自然环境都有不同程度的破坏作用，利用非卤化溶剂取代卤化溶剂制备有机太阳能电池是我国“双碳”战略的必然选择，但相应器件的光伏转换效率仍差强人意。宋欣副教授和朱卫国教授首次报道了绿色共混溶剂策略，实现了有机太阳能电池内部活性层给受体相容性及聚集态结构的调控。选择邻二甲苯(o-XY)与二硫化碳(CS2)为共混溶剂，利用两种溶剂不同的沸点和对受体溶解性的差异，通过比例调控，实现了有机活性层内部互穿网络状微纳形貌的精细调控（图1a，1b所示），器件最高效率达到17.5%（图1c所示），是目前基于非卤素溶剂加工的有机太阳能电池最高效率之一，对有机太阳能电池的产业化应用具有明显的推动作用。此项工作发表于国际顶级能源类期刊《Nano Energy》（影响因子为17.9）。论文题目为“Investigation of Tunable Halogen-Free Solvent Engineering on Aggregation and Miscibility towards High-Performance Organic Solar Cells”。

图1. 基于拉曼光谱成像技术获得的纯o-XY溶剂（a）与o-XY:CS₂ 混合溶剂（b）处理的有机活性层给受体相分离尺度图（红色：给体，蓝色：受体）

2. 为实现有机太阳能电池水平及垂直方向相分离尺度的协同调控，提高器件的能量转换效率，通常是在光活性层引入具有对称构象的可挥发性固体。然而，由于其各向同性分子堆积和弱偶极相互作用，使得垂直方向的给受体组分分布杂乱无章，不利于激子分离和电荷提取，影响光伏性能的进一步提升。相比对称构象，得益于更大的偶极矩和各向异性的偶极方向，非对称构象易促进分子的有序排列，已成为最近几年在有机及钙钛矿光电子器件中聚集态调控的发展方向。但非对称构象的可挥发性固体在有机太阳能电池的应用及背后的器件物理机制研究还鲜有报道。

        鉴于此，宋欣副教授和朱卫国教授团队首次报道以1,3-二溴-5-氯苯（DBCl）为固体添加剂，采取非对称构型的工艺辅助固体（PAS）策略，实现“一箭双雕”：一是精细调控Y系列受体的聚集态行为，二是可控形成给受体多级空间相分离尺度。结果显示，利用PAS 策略，PM6:L8-BO的器件光电转换效率达到18.5%，远高于无PAS处理的对照器件（15.0%），并在活性层厚度达到300 nm时，器件效率仍然能保持在17.0%，是目前基于厚膜器件的最高效率之一。该工作首次报道PAS是一类具有简易、高效的形貌调控手段，并系统揭示了可挥发性固体优化活性层薄膜形貌进而提高器件性能的内在机理，为实现有机太阳能电池的商业化应用提供了新思路。该成果发表在材料与化学学科国际顶级学术期刊《Advanced Materials》（影响因子为30.8）上，论文题目为“Process-Aid Solid Engineering Triggers Delicately Modulation of Y-Series Non-Fullerene Acceptor for Efficient Organic Solar Cells ”。

图2. 工艺辅助固体策略调控有机太阳能电池内部形貌示意图

两篇论文均为常州大学材料科学与工程学院为第一单位及唯一通讯单位，我校宋欣副教授为第一作者及第一通讯作者，朱卫国教授为合作通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、常州大学科研启动基金的大力支持。（通讯员/蔡震宇 任涛 审核/吕琳华 张屹）

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285521009290；

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200907。