可溶液加工的有机太阳能电池具有重量轻、色彩鲜艳、柔性高及可半透明制备等优点，是最具代表性的新一代光伏技术，目前光电转换效率已突破20%，在相关应用中迸发出巨大的发展潜力。然而，尽管在效率方面取得了显著进展，但器件在实际运行过程中受光照、水氧、热应力等环境条件的影响使得亚稳态的光活性层形貌易发生过度分离或聚集，进而破坏器件稳定性。基于此，传统的单组分活性层材料将给体与受体链段通过共价键连接引入到同一分子中，有效避免了共混体系中升温自聚集的问题，使得基于其的器件稳定性大幅度提升。但是，单组分活性层材料面临合成或分离困难等桎梏，成为有机光伏商业化的另一大挑战。因此，为了实现真正的商业化应用目标，器件的稳定性和成本仍然是目前亟待解决的两大关键科学性问题。
图1 （a）一锅连续共聚策略示意图；（b）S9和S11的化学结构；（c）S9和S11在氯仿溶液和薄膜中的紫外-可见吸收光谱；（d）多组分体系和电极的能级示意图。
针对此，南科大郭旭岗教授与广州大学牛利&孙会靓教授团队合作，通过简单的连续共聚策略开发出新型的多组分全聚合物半导体材料，简化了传统聚合复杂的合成和后处理步骤（图1）。将该多组分材料S11作为光活性层制备的有机太阳能电池在兼具良好光电转换效率的同时，亦展现出优异的光、热稳定性（在超过1000 h的老化实验中仍维持初始效率的80%以上，即T80 > 1000)，实现了有机光伏电池的器件效率和使用寿命之间的平衡（图2）。此外，该项活性层制备技术不仅大幅降低了有机光伏材料的制备成本，并且极大简化了器件的制备工艺。
图2 基于二元体系PM6:L15和多组分体系S11的有机光伏器件存储1008 h的光伏参数演化：（a）室温环境；（b）连续光照条件，（c）85℃加热条件。
更重要的是，通过系统深入的光电学和形态学特性表征，作者认为在多组分活性层中占主导的具有主链缠结的嵌段聚合物和少量低聚物的协同作用有助于“冻结”活性层中纳米尺度的互穿网络形貌（图3）：（i）嵌段聚合物形成的网络结构能够有效抑制光活性层中过量聚集态的形成，同时保持低聚物在该结构中的纤维状渗透；（ii）该结构纳米孔洞中填充的PM6及L15低聚物可极大抑制嵌段共聚物的主链运动，减小滑移，从而有效维持电池在长期运行过程中的载流子传输平衡。
图3薄膜老化过程中的形貌演变：连续加热984 h的二元组分体系PM6:L15和多组分体系S11薄膜的（a, d, i, l）AFM高度图、（b, e, j, m）相图、（c, f, k, n）TEM和PiFM图像；（d）二元体系PM6:L15和多组分体系S11加热老化前后的形貌变化示意图。
为进一步证实这一假设，作者在嵌段共聚物PM6-b-L15中引入少量聚合物PM6（2%）和L15（5%）作为具有精确组成和结构的多组分活性层来制备有机光伏器件。经过1000 h的加速热老化后，三元体系PM6-b-L15:PM6:L15的稳定性结果与该连续共聚策略制备的S11体系相当（78% vs 80%，图4)。这些发现为开发低成本且长期稳定的有机光伏电池提供了重要的理论和实验依据。该技术结合喷涂、刮涂等大面积器件加工工程技术将有助于实现有机光伏电池的规模化生产。
图4 在85℃加热条件下，基于单组分体系PM6-b-L15、三元体系PM6-b-L15:PM6:L15和多组分体系S11的有机太阳能电池的（a）Voc、Jsc和（b） FF、PCE 及（c）光伏性能的演化图。
该成果以“Efficient and stable organic solar cells enabled by multicomponent photoactive layer based on one-pot polymerization”为题发表在Nature出版社的期刊《Nature Communication》上。
南科大郭旭岗教授、广州大学牛利&孙会靓教授为论文的通讯作者，博士后刘斌为论文的第一作者。以上研究工作得到韩国科学技术研究院Bumjoon J. Kim教授、广州大学韩冬雪教授、南京大学练鸿振&乔俊琴教授、南科大徐保民教授、西安交通大学凡群平教授的大力支持。该成果得到国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、深圳市自然学基金和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室基金的经费支持。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36413-3
广大牛利&孙会靓教授团队主页：
http://caas.gzhu.edu.cn
南科大郭旭岗教授团队主页：
https://faculty.sustech.edu.cn/guoxg
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