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刮涂全聚合物太陽能電池研究取得進展 全聚合物太陽能電池具有優(yōu)異柔韌性、溶液加工性和熱穩(wěn)定性等特點，在可穿戴、可拉伸設備的輕量、大面積印刷應用方面具有廣闊前景。活性層形貌優(yōu)化特別是調控給體結晶與相分離是其關鍵，但溶劑蒸汽退火等后處理過程的實時形貌演變機制尚不清晰。 中國科學院上海高等研究院研究員楊春明等，基于上海光源小角散射線站，建立了有機太陽能電池原位掠入射X射線散射研究平臺。科研人員利用同步輻射掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）和原位紫外-可見光譜 （UV-vis），結合掠入射小角X射線散射技術（GISAXS），實時追蹤了刮涂法制備的PM6: PY-IT全聚合物電池活性層在溶劑蒸汽退火過程中的動態(tài)形貌變化，揭示了溶劑蒸汽退火調控全聚合物共混薄膜形態(tài)的溶脹-再結晶-重排三階段機制及其與性能的關聯(lián)。 UV-vis結果顯示，在飽和蒸氣壓高、溶解度低的非極性溶劑二硫化碳蒸汽作用下，PY-IT吸收峰出現(xiàn)紅移；而在飽和蒸氣壓低、溶解度高的極性溶劑氯仿（CF）蒸汽作用下，該峰則出現(xiàn)藍移。這表明，極性溶劑對聚合物受體（PY-IT）的影響更顯著，誘導其分子鏈構象變化，形成更致密的空穴傳輸層，從而提升空穴傳輸效率。GIWAXS分析確認，溶劑蒸汽退火過程包含溶劑溶脹、再結晶和分子重排三個特征階段。適度的溶劑蒸汽退火時間有助于穩(wěn)定晶體結構，表現(xiàn)出晶格間距減小、載流子遷移率增加以及相分離尺寸優(yōu)化，能夠提升器件的光電轉換效率。研究顯示，過度的溶劑蒸汽退火可能導致分子重排階段晶體重新膨脹，不利于性能提升，但熱退火（TA）預處理可抑制這種不良膨脹。進一步，研究通過GISAXS，在介觀尺度水平上研究納米級相分離行為發(fā)現(xiàn)，TA+CF溶劑蒸汽退火組合處理的薄膜展現(xiàn)出最優(yōu)的形貌特征，包括最大的給體相干長度、最大的受體聚集相尺寸、最高的受體分形維數(shù)及最大的受體相干長度。熱退火預處理誘導的PY-IT聚集體尺寸增大，是實現(xiàn)適度結晶度和理想相分離的關鍵，有助于促進電荷分離與傳輸。  刮涂全聚合物太陽能電池溶劑蒸汽退火過程中（a）原位GIWAXS和UV-vis同時測量示意圖，（b）采用不同溶劑蒸汽退火處理的微觀形貌演變示意圖。 上述研究闡明了極性溶劑溶劑蒸汽退火主要優(yōu)化分子堆積，而非極性溶劑溶劑蒸汽退火更傾向于促進相分離，這為高性能刮涂器件提供了工藝-材料協(xié)同優(yōu)化策略。同時，這一成果為后續(xù)探索多溶劑協(xié)同退火、動態(tài)過程的精準調控以及發(fā)展環(huán)境友好的綠色工藝奠定了基礎，有望推動大面積柔性全聚合物太陽能電池的產業(yè)化進程。 相關研究成果發(fā)表在《先進科學》（Advanced Science）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。該工作由上海高研院、太原科技大學和香港理工大學合作完成。 論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501823 |
