山大&港科Science Advances：有机太阳能电池制备新工艺-外部电场辅助刀片涂布

6月28日，国际知名学术期刊《Science Advances》报道了山东大学郝晓涛、殷航团队与香港科技大学颜河团队题为“Using an external electric field to tune active layer morphology enabling high-efficiency organic solar cells via ambient blade coating”的合作研究论文。

有机太阳能电池（OSCs）因其轻质、灵活性和低成本制造等极具吸引力的特性而成为下一代太阳能技术的主要候选者之一。光敏活性层的形貌是决定OSCs光伏性能的最重要因素之一。OSCs活性层的纳米结构是多维的，主要涉及域尺寸、域纯度、给体-受体混溶性、材料结晶度、分子取向等方面。在众多因素中，实现双连续互穿纤维网络对于本体异质结薄膜的形态尤为重要。这种纤维纳米结构已经在之前的一些研究中实现，其中给体聚合物可以预聚集成纳米尺寸的纤维，从而提高空穴载流子的输运速度。另一方面，小分子受体（SMA）的骨架长度比聚合物短得多，并且不具有典型给体聚合物固有的聚集特性。因此，SMA通常难以通过自聚集以形成理想的纤维状结构域。

据此，开发有助于在SMA域内形成纤维纳米结构以建立给体和受体的纤维双连续激子与电荷输运网络的方法非常重要。在该研究工作中，作者展示了一种独特的非化学方法，该方法采用外部电场（EEF）来调整湿的溶液涂布过程中光敏活性层的形态（而不是在薄膜干燥后）。与许多基于SMA的OSC系统相比，该方法在改善BHJ形态和器件性能方面非常有效，显示出其广泛的适用性。形态学研究表明，EEF处理可以在SMA域中诱导纤维结构的形成，并提高载流子迁移率。重要的是，如果只将外电场调控方法应用于已经干燥的光活性薄膜，则该方法将不会有效。该方法只有在活性层的涂覆过程中将外电场应用于湿溶液时才有效。考虑到SMA（BTP-eC9）的偶极矩很强，可以合理地预期EEF可能会影响溶液中BTP-eC9分子的排列和方向，从而使溶液中而非固态中的分子更容易对EEF做出响应。为了表征SMA形成的纤维纳米结构，作者进行了光诱导力显微镜（PiFM）测量，可以选择性地绘制SMA域的纳米结构图。PiFM图像证实EEF可以直接促进SMA域中纤维纳米结构的形成。重要的是，该EEF辅助刀片涂布方法与使用环保溶剂的工业化露天印刷工艺兼容，效率达到18.6%，这是迄今为止（2024年3月）在这些工业相关条件下制造的OSC的最高性能。该工作不仅提供了一种具有广泛适用性的物理方法来调节活性层形貌，而且与工业化制备过程兼容，从而加速有机光伏材料和技术的工业化应用。

山东大学是该论文的第一完成单位，山东大学博士生崔风哲为该论文第一作者。山东大学殷航教授、郝晓涛教授和香港科技大学颜河教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、泰山学者计划、山东大学齐鲁青年学者计划和香港研资局等项目资助。

Fengzhe Cui et al. , Using an external electric field to tune active layer morphology enabling high-efficiency organic solar cells via ambient blade coating.Sci. Adv.10,eado5460(2024).

DOI:10.1126/sciadv.ado5460

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado5460

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