近日，《能源环境科学》（Energy & Environmental Science）以研究性论文（Research Article）的形式，在线发表我组通过掺杂少量低分子量的聚合物给体到给受体材料共混溶液，实现高性能活性层体系的高速刮涂制备。
论文题为“High-speed printing of a bulk-heterojunction architecture in organic solar cells films”（《有机太阳能电池中本体异质结活性层薄膜的高速制备》）。2020级硕士研究生赵心碧为第一作者，孙瑞博士和闵杰教授为通讯作者，武汉大学高等研究院为唯一署名通讯单位。
基于本体异质结（BHJ）结构的有机太阳能电池（OSCs）由于其固有的低成本、溶液可加工性和半透明性等优点，获得了科研界和工业界的广泛关注。得益于材料设计、形貌控制、界面和器件工程的快速发展，目前基于非富勒烯受体（NFA）的器件其能量转换效率（PCE）已经超过了19%。许多活性层体系的器件运行稳定性得到了明显改善，同时一些具有低成本和高性能活性层体系也被报道，使得OSC的效率-稳定性-成本差距显著减小。值得一提的是，除了效率、稳定性和合成成本，活性层体系的高速涂覆制备高性能器件的能力也决定了有机光伏技术的应用前景，然而其活性层高速涂覆制备的研究鲜有报道。在前期的研究工作中，我们发现在高速刮涂下制备的BHJ活性层展现出极大的效率损失，而采用逐层涂膜技术（LbL）高速刮涂和狭缝涂布制备活性层可以有效地保持其LbL型器件效率和稳定性（Nat. Energy, 2022. 7, 1087-1099），且证明了LbL技术具有良好的普适性。另外，成本效益分析指出该涂覆技术可使得OSC制备成本降低10倍以上，使其千瓦时价格与硅相比具有竞争力（Science, 2022. 378, 589）。
上述工作是通过改变涂覆工艺解决了活性层高速制备的问题，那有没有可能不改变给受体共混涂覆工艺实现高性能活性层的高速且简单制备呢？在本工作中，我们采用传统给受体共混（BHJ型）刮涂工艺，通过掺杂少量低分子量的PM6（PM6L）实现了在不损失效率情况下的活性层高速刮涂制备（图1所示）。相比之下，未掺杂的活性层体系在高速刮涂情况下会导致其固体相发生严重的相分离，从而导致器件性能显著下降。形态学特征表明PM6L的掺杂更有利于保持明确的相分离尺寸和实现分子的有序聚集；物理机制调查进一步表明掺杂的活性层形貌有利于载流子输运和提取。为了进一步说明PM6L掺杂对成膜过程中分子聚集行为的影响，我们采用原位光致发光光谱和紫外-可见吸收光谱技术来监测固体相成膜行为。研究结果发现高速刮涂时PM6L掺杂可以使PM6:Y6 BHJ活性层成膜过程中的液态-固态转变阶段时间延长，这有利于分子的有序聚集并实现良好的光电转换过程。这种聚合物给体自掺杂策略的普适性在另外三种基于PM6:NFAs体系中得到验证。此外，基于成本效率分析可知，这种掺杂策略可以有效地降低最低可持续价格，突显了这一简单掺杂策略的优势。值得一提的是，该工作是首次实现BHJ型活性层体系的高速度且高性能制备，加快了OSC技术从实验室到产业化的进程。
该研究得到了国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费的资助。武汉大学科研公共服务共享平台和上海同步辐射光源为此项工作的开展提供了有力的支撑。
论文连接: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d2ee03966d
