有机光伏太阳能电池由于质轻、柔性、可溶液加工等优势吸引了广泛关注。目前，单节电池的光电转换效率已经突破18%，器件运行稳定性也获得极大提高。有机太阳能电池的性能不仅依赖于有机半导体分子本征的光电性能，更依赖于半导体分子聚集体所表现出来的新性能。相同分子的不同聚集体会表现出截然不同的光电性能，因此深入研究分子聚集体科学对制备高效率有机光电器件意义重大。
武汉理工大学王涛课题组长期致力于分子及微纳尺度下有机光伏太阳能电池分子堆叠和聚集的研究，发展聚集体调控新策略，研究聚集体结构对器件光吸收、激子解离和电荷传输等光电转换过程的影响，指导制备高效率电池器件（Joule, 2019, 3, 819; Adv. Mater., 2017, 29, 1601674; Adv. Mater., 2017, 29, 1604044; Adv. Energy Mater., 2021, 11, 2003570; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2102189; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1807662; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704212; ACS Energy Lett., 2019, 4, 2378; Rep. Prog. Phys., 2019, 82, 03661; Appl. Phys. Rev., 2019, 6, 041405; J. Energy Chem., 2021, 54, 131; J. Energy Chem., 2019, 37, 148; Sci. China Chem. 2020, 63, 1461; Sci. China Chem. 2019, 62, 1221;）。
目前有机太阳能电池的制备主要依赖于卤代溶剂，对健康和环境造成巨大威胁，因此摆脱对卤化溶剂的依赖是这类器件走向商业化必须要跨越的障碍。然而有机光伏材料在无卤溶剂中的溶解度有限，器件吸光层组分的分子排列和聚集形态会产出显著的变化，不利于高效率的光电转换过程，大幅度降低了器件效率和稳定性。
针对这一难题，近日，武汉理工大学王涛教授课题组与中科院福建物质结构研究所郑庆东研究员团队合作，以PM6:M36光伏电池为研究对象，通过热场诱导聚集策略实现了高效率器件的无卤溶剂制备。研究人员采用无卤溶剂(Tol+PN)替代常用的卤化溶剂（CF+CN），同时在溶液涂膜的过程中引入热场来调控溶液成膜过程中的热力学和动力学过程，实现了对吸光层形貌的精细调控，避免了大尺寸聚集体的形成，有利于电荷分离和传输，最终制备了比卤代溶剂器件更高的效率，且该策略在二元和三元光伏体系中均适用，为无卤溶剂制备高效率有机太阳能器件提供了一个良好的策略。
图 1. 热场诱导聚集策略提升非卤代溶剂加工有机太阳能器件效率。
图 2. 基于同步辐射大科学装置的掠入角广角和小角X射线测试以揭示相关器件的分子排列和聚集体形貌。
该工作近期以题为“Hot-Casting Boosts Efficiency of Halogen-Free Solvent Processed Non-Fullerene Organic Solar Cells”的论文发表在Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2105794。本研究得到了国家自然科学基金（52073221 and 21774097）和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（WUT: 2021III016JC）的支持，其中同步辐射掠入角广角和小角X射线测试得到上海光源的支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105794
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