研究背景
有机太阳能电池（OSCs）的功率转换效率已超过20%，这一进展中，形态优化发挥了重要作用。普遍认为，处理溶剂（或溶剂混合物）有助于优化形态，进而影响OSC的效率。为了解决这一问题，瑞典林雪平大学高峰教授、苏州大学李耀文、吉林大学王同辉等人在“Nature Energy”期刊上发表了题为“Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control”的最新论文。本文开发的OSC显示出对多种处理溶剂的强容忍性，所有器件的功率转换效率均达到约19%。本文通过实验和计算方法研究溶液状态、薄膜形成动力学及加工薄膜的特性，作者确定了控制形态的关键因素，即受体材料侧链与溶剂之间的相互作用，以及供体与受体材料之间的相互作用。作者的工作为长期以来形态控制的难题提供了新的理解，并为设计面向实际应用的OSC材料提供了有效的指导，尤其是在大规模加工中对绿色溶剂的需求下。
研究亮点
1.实验首次开发了具有广泛溶剂适应性的非富勒烯受体材料BTP-TO2，并在多种溶剂中成功形成高效的有机太阳能电池（OSC）。通过这一新材料的应用，所有器件的功率转换效率（PCE）稳定在19%左右。2.实验通过溶液状态、分子动力学计算和薄膜形态分析，深入探讨了材料的形态控制机制。研究发现，溶剂与非富勒烯受体（NFA）侧链之间的相互作用以及供体和受体材料间的相互作用是影响形态的关键因素。通过优化这些相互作用，能够确保薄膜形态在不同溶剂下的稳定性。3.实验进一步揭示了OEG侧链与溶剂之间的强相互作用如何控制分子的刚性构象。这一控制机制有助于保持受体材料在溶液中的稳定分子构象，从而促进了形态的优化，并增强了器件的光伏性能。4.实验通过系统的溶液到薄膜沉积过程研究，明确了组分沉积动力学和结晶过程对混合膜形态的影响。研究表明，精确控制沉积过程能够有效调控混合膜的结晶特性，进一步提高器件性能。
图文解读
图1：化学结构、在不同溶剂中的吸收光谱及Flory–Huggins相互作用参数的分子动力学计算。图2：PM6:BTP-TC8和PM6:BTP-TO2混合物中的溶液状态及组分间的分子间相互作用。图3：OEG侧链与溶剂之间强相互作用控制的刚性分子构象示意图。图4：从溶液到薄膜的组分沉积动力学及混合薄膜的结晶特性。
结论展望
本文展示了通过不同溶剂加工的大面积高性能有机太阳能电池（OSCs）。研究表明，溶液状态（可通过分子设计进行调控）在确定OSCs的形貌（进而影响其性能）方面起着关键作用。基于对这一过程的深入理解，作者提出了有效控制共混物形貌结构的设计规则：增强小分子受体侧链与溶剂的相互作用，确保受体在各种溶液中保持稳定的分子构象；减弱聚合物供体与非富勒烯受体在溶液中的分子间相互作用，促进聚合物供体呈现棒状构象，并优先沉淀，从而确保薄膜形成动力学对共混膜形貌的影响最小。作者的材料设计原则为新型供体和受体材料的化学结构设计提供了重要指导，为使用环保溶剂加工的高性能OSCs的商业化铺平了道路。 Zhang, R., Chen, H., Wang, T. et al. Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01678-5
