四川大学徐小鹏&彭强NC：溶剂蒸汽扩散驱动多尺度预聚集，实现20.7%有机光伏效率

第一作者：周伟林

通讯作者：徐小鹏*，彭强*

单位：四川大学

有机太阳能电池因其质量轻、机械柔韧性好、半透明，且能兼容低成本、可规模化的制备工艺等特性，受到了广泛关注。近年来快速发展的非富勒烯受体（NFAs）凭借其可化学修饰性与优异的光捕获能力，推动了高性能有机太阳能电池的光电转换效率（PCEs）突破20%。然而，光活性层形貌的精准调控仍是一项关键挑战，是制约有机光伏性能提升的关键因素之一。

传统本体异质结（BHJ）体系中，多组分溶液一步成膜工艺呈现出复杂的分子相互作用与差异化的结晶行为，且这些行为对制备工艺条件高度敏感，难以稳定获得性能最优的活性层形貌。近年来流行的逐层（LbL）制备工艺通过两步法依次沉积给体层与受体层，实现了给受体聚集行为与相分离行为的解耦，更有效调控活性层的微观结构与界面特性。同时，逐层工艺也为系统研究溶液预聚集状态与界面自组装过程对薄膜形貌及电荷转移过程的影响提供了便利。尽管如此，如何实现给体与受体材料预聚集状态的精准调控，以获得目标纳米结构，仍是目前面临的一大挑战。

近日，四川大学徐小鹏&彭强教授团队在Nature Communications发表题为“Solvent vapor diffusion–driven multiscale pre-aggregation of non-fullerene acceptors enables high-performance organic solar cells”的研究论文。该团队开发了一种基于溶剂蒸汽扩散（SVD）的调控策略，通过精准调控非富勒烯受体在溶液中的多尺度预聚集行为，实现LbL工艺下有机太阳能电池活性层形貌的精准优化，与器件性能提升。

本文首先以 D18/L8-BO 体系为模型，在图 1b 所示的 SVD 装置中，让对 L8-BO 溶解性较差的苯逐步向 L8-BO 的甲苯溶液（良好溶剂）中扩散，在溶液中构建自上而下的“苯富集层–苯/甲苯混合层–甲苯富集层”梯度溶剂环境。得益于不同层溶解度的差异，L8-BO 在溶液中形成由上而下逐渐减弱的梯度预聚集特性，并且这一预聚集程度可以通过调节 SVD 时间实现精确控制。

研究表明，这种自上而下的预聚集梯度会在成膜过程中“继承”到光活性层中，构筑出具有多尺度层级结构的薄膜：预聚集尺寸较小的 L8-BO 可以更充分地渗入 D18 纤维网络的缝隙中，形成丰富而细腻的 D/A 界面；而预聚集尺寸较大的 L8-BO 则更多滞留在薄膜表层，有利于构建连续的电子传输通道。得益于这种自下而上的界面构筑与自上而下的传输通道相结合，D18/L8-BO 器件的光电转换效率由 18.99% 提升至 20.18%。

在此基础上，研究团队系统考察了该策略的普适性，将 SVD 调控拓展至其他非富勒受体体系（BTP-C6、m-THE、eC9-2F2Cl，L8-BO-C4等）以及给体材料PM6，均取得了显著的性能提升，证实该方法具有良好的通用性。进一步地，团队在给体 D18 中引入 1% PYIT 作为添加剂协同优化供体形貌，并与 L8-BO-C4 受体匹配，在不额外优化 SVD 条件（直接沿用 L8-BO 的 SVD 参数）的前提下，实现了效率高达 20.71% 的有机太阳能电池，凸显出该工艺在器件设计和工艺放大的应用潜力。

总体而言，该工作证明了溶剂蒸汽扩散是一种可靠且通用的形貌调控手段，能够有效控制逐层法有机太阳能电池中活性层组分的垂直分布，并在溶液–薄膜–器件这一完整链条上实现结构–动力学–性能的协同优化。同时，该策略为追踪和理解“溶液预聚集–成膜组装–最终形貌–器件性能”之间的内在联系提供了有力平台，有望为新一代高效有机光伏器件的设计提供新的思路与路径，助力突破现有效率瓶颈。

SVD 利用苯与甲苯的溶解度差异和挥发性差异，在受体溶液中构建自上而下的垂直溶剂梯度：上层富苯区域促进受体强预聚集，下层富甲苯区域保留弱预聚集状态。这种梯度在薄膜形成过程中被保留，最终形成分级域结构，既提供充足的D/A界面以高效解离激子，又保障连续的电荷传输路径。通过调控 SVD 处理时间（0-120 分钟），可精准调节溶剂梯度分布与受体预聚集程度。

基于D18/L8-BO模型体系，经20分钟 SVD 处理后，器件PCE 从18.99% 提升至 20.18%；在D18（1% PYIT）/L8-BO-C4 体系中，PCE 进一步达到 20.71%，跻身高效单结 OSCs行列。性能提升源于短路电流密度（Jsc）与填充因子（FF）的协同优化：SVD-20 样品 Jsc 达 27.08 mA cm⁻²，FF 达 81.47%，且开路电压（Voc）保持稳定。此外，SVD 处理器件展现更优的运行稳定性，连续光照 490 小时后仍保留 80% 初始效率，显著优于未处理样品（300 小时）。

分子有序性提升：UV-vis-NIR 与 GIWAXS 表征显示，SVD 处理增强受体分子 π-π 堆积与层状堆积有序性，晶体相干长度（CCL）显著增加；分级形貌调控：AFM 与 GISAXS 证实，SVD 诱导形成多尺度受体域结构，既保障 D/A 界面接触，又优化电荷传输；垂直组分梯度优化：FLAS 与 GTSAXS 表明，SVD 调控 D/A 垂直分布，使激子生成峰值位于膜中央（~57 nm），缩短电荷传输距离，抑制复合；电荷动力学改善：fs-TAS 与 SCLC 测试显示，SVD-20 样品实现更快的激子解离、更平衡的载流子迁移率，且陷阱辅助复合与双分子复合被显著抑制。

SVD 策略展现出极强的普适性：更换溶剂对（二氧六环 / 氯苯）、受体材料（m-TEH、BTP-C6、eC9-2F2Cl、L8-BO-C4）或给体材料（PM6 替换 D18）后，器件 PCE 均实现稳定提升，无需针对特定体系优化工艺参数，为各类 OSCs 体系的性能升级提供了通用解决方案。

Solvent vapor diffusion–driven multiscale pre-aggregation of non-fullerene acceptors enables high-performance organic solar cells

彭强教授：教授，博士生导师，先后获得英国皇家化学会会士（2020），国家杰出青年基金（2018），教育部新世纪优秀人才支持计划（2009），四川省学术和技术带头人（2014），四川省杰出青年基金（2013），江西省新世纪百千万人才工程（2009），江西省五四青年奖章（2009）。科睿唯安全球高被引科学家，斯坦福大学全球前2%顶尖科学家，英国皇家化学会Top 1%中国高被引学者。担任Small Structures首届顾问编委（Editorial Advisory Board），Current Applied Materials编委（Section Editor），Chin. Chem. Lett.和Molecules编委。先后主持或参与科技部重大研究计划、国家自然科学基金（集成项目、重点、面上、青年基金）、科技部国际合作项目、教育部新世纪优秀人才支持计划项目等30多项国家和省部级科研课题。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nat. Commun.等国内外期刊上发表学术论文250余篇，SCI收录200余篇，影响因子大于10.0的有100余篇，其中25篇单篇引用超过100次，2篇入选2018年中国百篇最具国际影响力论文，40余篇入选ESI高被引论文和ESI热点论文，40余篇入选发表期刊的热点论文或封面论文。

徐小鹏研究员：国家优青（2024），四川大学“双百人才工程”计划入选者，特聘研究员，博士生导师。主要从事有机光电材料与器件的研发和应用研究，聚焦有机半导体光伏关键材料设计与合成、有机半导体光伏器件制备工艺到应用技术的开发。相关成果发表学术论文100余篇，包括Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ.Sci.、Angew. Chem. Int.Ed.等，其中2篇入选“中国百篇最具影响国际学术论文”，20余篇入选ESI热点和或高被引论文，论文总被引8000余次（据Google Scholar），H-index > 50；获得“四川省自然科学奖一等奖”等奖励；担任Adv. Mater.、Energy Environ.Sci.、Angew. Chem. Int.Ed.、Adv. Funct. Mater.等国际高水平学术期刊审稿人。

周伟林：四川大学化学工程学院硕士研究生

课题组依托四川大学化学工程学院及先进高分子材料全国重点实验室，致力于有机光电材料与器件的基础研究与应用开发，研究方向包括新型光伏关键材料分子设计、有机太阳能电池器件工程、以及钙钛矿太阳能电池器件工程等。团队拥有完善的材料合成平台与器件表征体系，承担多项国家级科研项目，与国内外多家高校及企业保持深度合作。