浙江大学陈红征&施敏敏Angew：给体-受体相互作用调控成膜动力学，非卤溶剂制备有机太阳能电池效率突破19%！

第一作者：陈曦，田雨芊，阿地力江·吾甫尔

通讯作者：施敏敏，陈红征

单位：浙江大学

有机太阳能电池（OSCs）因其柔性、质轻和半透明等独特优势，有望在分布式光伏领域得到广泛应用。然而，目前高性能OSCs多采用有毒的卤代溶剂加工，严重制约其产业化进程。尽管非卤溶剂（如二甲苯）具有低毒、低成本特性和大规模加工潜力，但其加工过程中活性层形貌难以控制，导致器件性能显著下降。因此，开发适用于绿色溶剂加工的高效活性层材料，成为OSCs领域的研究热点。

近日，浙江大学陈红征教授、施敏敏教授团队在国际权威期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表题为“Donor–Acceptor Interaction Optimized Film-Forming Processes Lead to Efficient Organic Solar Cells and Modules Fabricated with Non-Halogenated Solvents”的研究论文。该工作通过在经典聚合物给体PM6中引入20%的联-二(氯代噻唑)（Tz₂Cl）单元，设计合成了新型三元共聚物PM6-ClTz20，显著提升了其在间二甲苯等绿色溶剂中的溶解性，并通过增强给体-受体相互作用，成功调控了活性层的成膜动力学与微观形貌，实现了小面积器件19.04%和微型模组16.71%的高光电转换效率。

研究团队对明星给体材料PM6进行精准化学修饰，将20%的苯并二噻吩二酮（BDD）单元替换为联-二(氯代噻唑)（Tz₂Cl）单元，得到三元共聚物PM6-ClTz20。这一设计具有双重优势：首先，无规共聚破坏了聚合物主链的结构规整性，使其在绿色溶剂间二甲苯中的溶解度从1.98 mg mL^-1提升至2.68 mg mL^-1（提升35%），有效抑制了加工过程中因溶解度不佳导致的分子过度聚集。其次，Tz₂Cl单元具有更强的电负性，通过密度泛函理论（DFT）计算表明，其原子平均静电势（ESP）低至-5.14，远低于BDD单元的-2.76，从而诱导给体PM6-ClTz20与受体BTP-eC9产生强静电吸引作用。

通过实验揭示了给体-受体静电吸引在绿色溶剂加工活性层成膜过程中的核心作用。1H NMR测试显示，Tz₂Cl单体与BTP-eC9混合后，芳香环上氢原子的化学位移发生显著的高场位移（最高达0.136 ppm），表明二者之间存在强分子间相互作用。1H-1H NOESY NMR谱图中清晰地观察到了Tz₂Cl芳香氢原子与BTP-eC9上烷基氢之间的交叉峰，直接证明了两者在溶液中的空间距离小于5 Å，存在紧密的分子间接触。这种强的给体-受体相互作用力，延缓了它们在溶剂挥发过程中的快速分相和过早结晶。

利用原位紫外-可见吸收光谱实时监测了成膜过程。研究发现，PM6-ClTz20:BTP-eC9共混体系的整个成膜过程（包括分子聚集、成核与晶体生长）耗时约12.3秒，比PM6:BTP-eC9体系（约6.2秒）延长了近一倍。这种“慢结晶”过程使得给体和受体分子有更充足的时间进行有序的自组装和重排，最终形成了具有更佳相分离尺寸（AFM和PIFM证实）、更大晶体尺寸（GIWAXS显示π-π堆积峰更窄、晶体相干长度CCL更长）和更高结晶质量的共混薄膜。这种优化的形貌有利于电荷的高效生成和传输。

优化的活性层形貌带来了器件性能的全面提升。基于间二甲苯溶剂加工的PM6-ClTz20:BTP-eC9的器件实现了19.04%的最高效率（VOC = 0.846 V, JSC = 27.96 mA cm^-2, FF = 80.50%），显著优于PM6体系（18.33%）。深入的光物理和电学表征表明，其卓越性能源于：① 更高的激子解离效率（96.6%）；② 更高的电荷收集效率（85.8%）；③ 更平衡的载流子迁移率（μh/μe ≈ 1）；④ 显著抑制的双分子复合和陷阱辅助复合。更重要的是，该策略展现出优异的可扩展性，制备的19.44 cm²微型模组实现了16.71%的效率，证明了其产业化潜力。

研究表明，PM6-ClTz20在甲苯、邻二甲苯、对二甲苯等多种非卤溶剂中加工均能获得17%以上的高效率。此外，当与Y6、L8-BO等其他主流受体搭配时，器件效率也分别达到18.26%和18.52%，充分证明了该给体在绿色溶剂加工材料体系中的普适性。

Donor–Acceptor Interaction Optimized Film-Forming Processes Lead to Efficient Organic Solar Cells and Modules Fabricated with Non-Halogenated Solvents

陈红征教授简介：浙江大学求是特聘教授，博士生导师。国家杰出青年基金（2002年）和全国创新争先奖（2023年）获得者，入选教育部跨世纪优秀人才培养计划（2001年），中国化学会青年化学奖获得者（2000年），入选浙江省“151人才工程”（2000年）和浙江省万人计划杰出人才（2020年）。1988年浙江大学本科毕业，1994年浙江大学博士毕业后留校任教，1999年晋升为教授。先后在香港科技大学（01~04/1999）、比利时Antewerp大学和欧洲高校联合微电子中心（11/1999~04/2001, 07~10/2002, 07~09/2003）、美国Stanford大学( 02~08/2005, 09~11/2007) 进行合作研究。主要从事有机高分子和有机无机杂化钙钛矿光电功能材料与器件的研究与教学工作，先后主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大项目课题/国家重大科研仪器研制（自由申请）/重点/ 重大（重点）国际合作、973项目课题和863重点项目等国家和省部级项目20多项；在Nature Nano., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci.等本领域著名学术刊物发表SCI收录论文500多篇，论文他引超过000次，获国家授权发明专利60项,兼任中国化学会有机固体专业委员会委员、中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事和副秘书长、浙江省复合材料学会理事长、美国化学会期刊 ACS Applied Polymer Materials 等。获2022年浙江省科学技术奖（自然科学奖）一等奖1项、2025年中国材料研究学会科学技术奖（基础研究奖）一等奖1项、国家教委科技进步三等奖1项（1995年），荣获浙江省教育工会“事业家庭兼顾型”先进个人（2003 年）、浙江省三八红旗手（2008年）、全国女职工建功立业标兵（2009年）和浙江省巾帼发明者（2009年）等荣誉称号。

施敏敏教授简介：中国科技大学材料系学士(1993)，浙江大学高分子系理学硕士(1996)、工学博士(2004)。2003年12月起在浙江大学高分子系工作。长期从事有机半导体材料与器件的基础和应用研究，近年来研究兴趣集中在有机太阳能电池领域。先后承担国家级科研项目10多项，已在Adv. Mater. 、J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表SCI论文180多篇，引用12000多次，H因子58 (Google Scholar)，入选科睿唯安（SCI）全球高被引科学家。获浙江省科学技术奖（自然科学奖）一等奖和中国材料研究学会科学技术奖（基础研究奖）一等奖各1项。授权国家发明专利32项，部分科研成果已转化。

陈曦，浙江大学高分子科学与工程学系硕士研究生，师从施敏敏教授。主要研究有机太阳能电池给体材料的设计与合成。

田雨芊，浙江大学高分子科学与工程学系硕士研究生，师从左立见研究员。主要研究半透明有机太阳能器件。

阿地力江·吾甫尔，浙江大学高分子科学与工程学系博士研究生，师从陈红征教授。主要研究柔性有机太阳能电池模组。