有機太陽能電池（OSCs）因其輕質(zhì)、容易制造和色彩可調(diào)等特點，成為下一代光伏技術的有力競爭者。近年來，OSCs 的能量轉換效率已超過20%，其中活性層形貌的優(yōu)化起到了關鍵作用。通過調(diào)整供體和受體材料的選擇、擴展吸收光譜以及優(yōu)化電子態(tài)能級，大幅提高了器件的電荷傳輸和分離效率。然而，現(xiàn)有研究中，形貌優(yōu)化通常依賴特定溶劑體系，限制了OSCs的規(guī)?；a(chǎn)和環(huán)境友好性應用。特別是在實現(xiàn)高效形貌控制的同時，探索適用于多種溶劑的設計策略，是提升OSCs實際應用潛力的關鍵難題。

基于此，瑞典林雪平大學高峰教授、吉林大學王同輝教授、蘇州大學李耀文教授等人合作提出了通過增強受體側鏈與溶劑相互作用并減弱供體與受體相互作用的形貌控制策略，實現(xiàn)了有機太陽能電池在多種溶劑中的高效穩(wěn)定表現(xiàn)。該研究以“Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control”為題，發(fā)表在《Nature Energy》期刊上。

1. 優(yōu)異的溶劑適應性：研究首次實現(xiàn)了有機太陽能電池（OSCs）在多種溶劑（包括氯化和非氯化溶劑）中的形貌一致性和高效性能，器件效率接近19%。

2. 創(chuàng)新的形貌控制策略：提出了增強受體側鏈與溶劑相互作用并減弱供體與受體相互作用的形貌控制方法，通過設計新型非富勒烯受體BTP-TO2，確保薄膜在不同溶劑中的形貌穩(wěn)定性。

3. 規(guī)?；苽渲芯邆鋬?yōu)異的穩(wěn)定性：在大面積刀片涂布應用中，基于BTP-TO2的光伏模塊在非氯化溶劑條件下實現(xiàn)了超過16%的效率，且器件在長時間運行中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

圖1 化學結構、不同溶劑中的吸收光譜及Flory-Huggins相互作用參數(shù)的分子動力學計算

圖1展示了新型非富勒烯受體BTP-TO2與對照受體BTP-TC8的化學結構、吸收光譜以及分子動力學模擬結果。在化學結構設計中，BTP-TO2引入了親水性聚乙二醇（OEG）側鏈，顯著增強了其與溶劑的相互作用。

對比不同溶劑（氯仿、氯苯、甲苯和對二甲苯）中的吸收光譜表明，BTP-TO2和BTP-TC8在溶液狀態(tài)下的吸收峰位置和形狀基本一致，說明溶劑對分子自組裝行為的影響有限。然而，從溶液到薄膜的轉變過程中，BTP-TO2表現(xiàn)出更顯著的吸收峰紅移，顯示其在薄膜形成中具有更穩(wěn)定的分子堆積行為。

分子動力學模擬進一步揭示了溶劑相互作用的本質(zhì)，BTP-TO2在所有溶劑中的Flory–Huggins χ值均低于BTP-TC8，表明其與溶劑分子的相互作用更強。這些結果表明，BTP-TO2的分子設計顯著提高了其在不同溶劑中的形貌穩(wěn)定性，為多溶劑適應性有機太陽能電池的實現(xiàn)奠定了基礎。

圖2 ?PM6:BTP-TC8 和 PM6:BTP-TO2混合溶液中的各組分間的相互作用

圖2展示了供體材料PM6與受體材料BTP-TO2和BTP-TC8在不同溶劑中的分子間相互作用和聚集行為的對比研究。通過小角中子散射（SANS）實驗，觀察到PM6混合體系在不同溶劑中的分子鏈呈現(xiàn)柔性柱狀結構，其分形維數(shù)表明其分子構象在溶劑中具有高度穩(wěn)定性。而在PM6混合體系中，分子構象隨溶劑變化顯著，反映出其溶劑敏感性更高。

此外，核磁共振（2D ¹H-¹H NOESY NMR）結果顯示，BTP-TO2與PM6的分子間相互作用較弱，而BTP-TC8與PM6的分子間相互作用較強，這種差異導致了溶液狀態(tài)下的形貌差異。具體來說，BTP-TO2分子因側鏈與溶劑的強相互作用保持穩(wěn)定的分子構象，從而避免了與PM6供體分子的強相互作用，而BTP-TC8則因溶劑作用較弱，表現(xiàn)出更明顯的聚集行為。

圖3 ?通過OEG側鏈與溶劑的強相互作用控制的剛性分子構象示意圖

圖3通過示意圖和分子動力學模擬，揭示了溶劑對BTP-TO2和BTP-TC8分子構象及供體-受體相互作用的顯著影響。BTP-TO2的OEG側鏈與溶劑分子之間的強相互作用，使其分子構象在不同溶劑中保持一致且穩(wěn)定，側鏈始終呈線性伸展狀態(tài)，減少了分子內(nèi)和分子間的扭曲及纏繞現(xiàn)象。相比之下，BTP-TC8的分支狀烷基側鏈與溶劑分子之間的相互作用較弱，其構象隨溶劑變化顯著，表現(xiàn)出明顯的聚集傾向。此外，BTP-TO2與PM6供體的分子間相互作用較弱，有助于形成規(guī)則的混合物形貌，而BTP-TC8與PM6之間的相互作用更強，容易引發(fā)分子間纏繞和不均勻的形貌分布。

圖4 ?從溶液到薄膜的組分沉積動力學及混合薄膜的晶體特性

圖4展示了PM6從溶液到薄膜的沉積動力學及最終薄膜的晶體結構差異。通過原位GIWAXS分析，觀察到PM6在溶劑蒸發(fā)過程中，供體PM6以更快的沉積速率形成主導性骨架，而BTP-TO2則填充在間隙中，保持其穩(wěn)定的構象和堆積行為，從而形成均勻的薄膜結構。而在PM6體系中，受體BTP-TC8的沉積順序對溶劑極為敏感，不同溶劑會導致不均勻的分子堆積和顯著的形貌差異。靜態(tài)GIWAXS結果進一步表明，PM6的晶體結構對溶劑變化不敏感，其晶格參數(shù)和晶體域大小在不同溶劑中波動較??；相對而言，PM6的晶體結構則顯著依賴于溶劑蒸發(fā)動力學，表現(xiàn)出較大的晶體域波動。

圖5 器件的光伏性能

圖5展示了基于BTP-TO2和BTP-TC8的有機太陽能電池在不同溶劑條件下的性能表現(xiàn)及大面積模塊化應用潛力。對于小面積器件，BTP-TO2基混合體系在氯化和非氯化溶劑中均表現(xiàn)出接近19%的高能量轉換效率，器件性能在不同溶劑間波動小于2%。相比之下，BTP-TC8基器件對溶劑高度敏感，效率隨溶劑變化顯著降低，非氯化溶劑中的效率不足15%。

此外，基于BTP-TO2的光伏模塊（15.03 cm2）在非氯化溶劑中實現(xiàn)了超過16%的效率，顯著優(yōu)于BTP-TC8模塊在相同條件下的性能（低于14%）。統(tǒng)計分析顯示，BTP-TO2體系的高效表現(xiàn)得益于其穩(wěn)定的形貌控制策略，確保了薄膜結構和器件性能在不同溶劑中的一致性。這一成果展示了BTP-TO2在綠色溶劑加工中的顯著優(yōu)勢，為大面積高性能有機太陽能電池的商業(yè)化應用提供了技術支持。

本研究通過設計新型非富勒烯受體BTP-TO2，提出了增強受體側鏈與溶劑相互作用并減弱供體與受體相互作用的形貌控制策略，成功實現(xiàn)了有機太陽能電池在多種溶劑中的高性能表現(xiàn)。BTP-TO2在不同溶劑中的溶液和薄膜形貌表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，使得器件能量轉換效率接近19%，且在非氯化綠色溶劑中依然具有一致性和高穩(wěn)定性。這一成果不僅克服了傳統(tǒng)OSCs對特定溶劑的依賴，為環(huán)保溶劑加工提供了技術基礎，還展示了其在大面積光伏模塊中的應用潛力。

Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control. Nature Energy