「兩步連續沉積」法解決聚合物批次對有機太陽能電池的影響

近幾十年來，本體異質結（BHJ）有機太陽能電池（OSC）以其重量輕、成本低、可通過溶液加工製造柔性大尺寸器件等優點而備受關注。實現能平衡激子解離和電荷傳輸的理想BHJ形態是實現高效OSCs的先決條件。在薄膜沉積過程中，乾燥動力學對BHJ形貌的形成起著至關重要的作用，而BHJ形貌決定了結晶區和混合區最終的納米結構。旋塗是實驗室製備BHJ薄膜的常用方法， 薄膜可以很快形成，並鎖定了形貌。在印刷製造方面，與旋塗方法相比，溶劑的蒸發速度更慢，這是由於在較長的時間範圍內，材料在結晶和相分離中的熱力學和動力學不同，因此形態更加難以預測，在不同的成膜工藝(實驗室規模的旋塗與工業印刷相比)下控制BHJ的形貌仍然是OSCs商業化的挑戰。

為了控制有源層的形貌，北京航空航天大學孫豔明課題組和上海交通大學劉峰課題組提出了一種兩步連續沉積（SD）的方法。這種方法提供了一種控制活性層形態的途徑，其中給體和受體依次沉積。第一層僅進行簡單的溶液蒸發誘導結晶，可以消除複雜的材料相互作用和相分離。通過選擇溶劑和乾燥時間，可以很容易地控制結晶特性。第二層的形貌可以通過結晶的基本性質和與第一層材料的相容性來控制。通過選擇合適的溶劑和乾燥速度，可以高度控制第二層材料向第一層材料的溶脹誘導擴散。這種薄膜的製作，再加上適當的第一層結構，在形態控制上是非常有用的。

他們還展示了一種纖維網絡策略（FNS）來控制osc的BHJ形態。在FNS中，聚合物纖維為空穴傳輸提供了一個高速通道，而小分子受體（SMA）位於纖維網絡之間執行電子傳輸，從而可以製備出理想的BHJ互穿網絡結構。FNS與SD的耦合，只需在第一層使用一個已建立的聚合物纖維網絡，就可以找到一條優化形態結構的途徑，其中非富勒烯受體分子可以擴散到更發達的纖維網中形成雙連續的網絡形態。利用共軛聚合物PT2作為供體，在規整的薄膜中自組裝成清晰的纖維結構，以小分子Y6為受體，通過溶脹很容易將其引入底層，實現了概念的驗證。兩步法製備的PT2晶體纖維結構完整，非晶區與Y6受體混合良好，易於優化，獲得了良好的形貌。規定的形貌保證了PT2和Y6之間較大的界面面積和高效的傳輸網絡。因此，實現了高達16.5%(認證為16.1%)的光電轉換效率(PCE)，這是迄今為止報導的SD OSCs的最高PCE值。該方法應用於槽模印刷的大面積器件製作中，有效面積為0.8cm2的器件的PCE為14.6%。FNS-SD的製造方法充分發揮了材料的性能，並減少了不可控制的相互作用，這表明材料具有很高的適應性。合成了不同分子量和多分散度的PT2聚合物，FNS-SD工藝使器件性能高度均勻，解決了OSC中聚合物批次差異帶來的問題。