采用环保溶剂体系制备的镀膜全聚合物有机太阳能电池，效率高达15%

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Blade-Coated All-Polymer Organic Solar Cells with 15% Efficiency Using Eco-Friendly Solvent Systems

高效柔性太阳能电池的绿色制备与性能优化

　　有机太阳能电池（OSCs）因其独特的优点，如溶液加工性、机械柔性和半透明性，吸引了广泛的研究兴趣。这些特性使得OSCs在多种户外应用中展现出巨大的潜力，尤其是在需要轻质、可弯曲和透光性的场景中。近年来，聚合小分子受体（PSMAs）的发展显著提升了全聚合太阳能电池（all-PSCs）的性能，使其在能量转换效率方面取得了重要进展。尽管如此，大规模商业化仍然面临诸多挑战，其中关键问题包括环保的制造方法、活性层形貌的优化以及电荷传输层质量的提升。传统方法如旋涂法虽然能实现高效率，但通常依赖有毒溶剂，限制了其可扩展性和环境兼容性。因此，开发一种既环保又适合大规模生产的制造技术成为研究重点。

本文报道了一种新的方法，即使用绿色溶剂对二甲苯（o-xylene）和医生刀涂布技术（doctor-blade coating）在常温空气中进行全聚合太阳能电池的可扩展制造。通过这种技术，研究人员成功制备了基于PM6:PY-IT的太阳能电池，并实现了显著的性能表现。具体来说，所制备的器件表现出短路电流密度（Jsc）为22.54 mA/cm2，开路电压（Voc）为0.91 V，填充因子（FF）为67.2%，从而获得了15%的能量转换效率（PCE）。这些结果表明，该方法不仅在性能上达到了较高的水平，而且在环境友好性和可扩展性方面也具有显著优势。

在制备过程中，研究人员采用了精心设计的墨水配方步骤，包括受控加热、搅拌和涡旋混合。这些步骤对于优化薄膜形貌和结晶度至关重要。通过原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）等分析手段，研究团队确认了这些处理步骤对薄膜结构的积极影响。优化后的墨水能够形成更均匀、更细密的混合结构，这有助于提高电荷传输效率和减少电荷复合损失。

在电荷传输性能方面，研究团队通过空间电荷限制电流（SCLC）方法对薄膜进行了评估。结果显示，虽然PM6:PY-IT的电荷迁移率略低于PM6:Y12，但其电荷传输的平衡性较好，这对整体器件性能具有重要意义。此外，研究还发现，当使用涡旋混合技术时，PM6:PY-IT的电荷迁移率和填充因子均得到了显著提升，这表明该步骤在改善材料溶解性和均匀分布方面起到了关键作用。

从光学性能的角度来看，PM6:PY-IT和PM6:Y12的混合薄膜在紫外-可见光谱（UV-Vis）中表现出互补的吸收特性。PM6主要在450-700 nm范围内有吸收，而Y12和PY-IT则主要在600-950 nm范围内有吸收，其中PY-IT的吸收峰位于814 nm，Y12的吸收峰位于821.5 nm。这种互补的吸收特性有助于提高光捕获效率，从而增强器件的短路电流密度和填充因子。进一步的分析表明，使用对二甲苯作为溶剂时，PY-IT的吸收峰发生了较小的红移，这表明其在薄膜中形成了良好的π-π堆积结构，有助于电荷的高效生成和传输。

在表面形貌分析方面，AFM和TEM的结果显示，经过涡旋混合处理的PM6:PY-IT薄膜表现出更均匀的纳米结构和更少的聚集物。相比之下，未经过涡旋混合的薄膜则显示出更多的聚集物和不规则的表面结构，这可能会影响电荷传输效率。通过涡旋混合，不仅提高了材料的溶解度，还确保了薄膜的均匀分布，从而优化了其性能。这些结果表明，涡旋混合是一种有效的手段，可以显著改善全聚合太阳能电池的形貌和性能。

在体相分析方面，GIWAXS技术用于研究混合薄膜的分子堆叠和结晶度。结果表明，PM6:PY-IT和PM6:Y12的混合薄膜在不同方向上均表现出有序的分子排列。其中，PM6:Y12的分子堆叠距离较短，而PM6:PY-IT则显示出更长的堆叠距离，这可能与其分子结构和链长有关。这些结构特性对电荷传输路径的形成具有重要影响，从而影响了器件的整体性能。

从电荷传输的角度来看，SCLC实验结果显示，PM6:PY-IT的电荷迁移率虽然略低于PM6:Y12，但其电荷传输的平衡性较好，这对于高效电荷提取和减少电荷复合损失至关重要。研究团队还发现，当使用不同的材料比例（如1:1和1:1.2）时，电荷迁移率的变化较为显著，尤其是在较大的表面面积下。这表明，在制备全聚合太阳能电池时，材料比例的优化对器件性能具有重要影响。

在太阳能电池的性能评估方面，研究团队通过测量电流密度-电压（J-V）曲线，对基于PM6:Y12和PM6:PY-IT的器件进行了全面分析。结果显示，PM6:Y12的器件在最大表面面积（0.25 cm2）下达到了14.29%的PCE，而PM6:PY-IT的器件则达到了13.68%。尽管在最大表面面积下，PM6:Y12的PCE略高，但两者的平均效率较为接近，特别是在较大的表面面积下，这表明PM6:PY-IT在可扩展性方面具有显著优势。此外，EQE（外部量子效率）的测量进一步验证了这两种材料在光捕获和电荷生成方面的高效性，显示出在350-850 nm范围内超过75%的量子效率。

研究团队还发现，当未进行涡旋混合时，PM6:PY-IT器件的性能显著下降，尤其是在较大的表面面积下，PCE和填充因子的损失更为明显。这表明，涡旋混合在改善材料的均匀性和减少聚集物方面起到了至关重要的作用。通过优化墨水配方和沉积参数，研究人员成功实现了在常温空气中对全聚合太阳能电池的高效、低成本制造，这为未来大规模生产提供了可行的路径。

总体而言，本文通过使用对二甲苯作为绿色溶剂和医生刀涂布技术，成功实现了全聚合太阳能电池的可扩展制造。研究结果表明，这种新型制造方法不仅在环境友好性和可扩展性方面具有优势，还能在性能上达到较高的水平。通过优化墨水配方和沉积工艺，研究人员显著提高了器件的短路电流密度、填充因子和能量转换效率，这为未来有机光伏器件的商业化提供了坚实的基础。此外，研究还强调了材料比例和处理步骤对器件性能的影响，为进一步优化全聚合太阳能电池的性能提供了重要的指导意义。