【材料】四川大学彭强教授AM综述：三元共混有机太阳能电池形貌研究进展

导语

有机太阳能电池因其质量轻、原材料来源广泛、制造工艺简单、可制备成大面积柔性器件等优势，备受学术界与工业界的关注。过去的几十年里，科研工作者通过在开发新型电子给受体材料与界面材料以及发展新的器件工艺上的不懈努力，使得有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）已经突破19%，显示了巨大的发展潜力。拓宽有机太阳能电池感光活性层的吸收是提升其光电转换效率的重要前提。叠层器件和三元共混器件可以突破传统二元单节器件的光谱吸收限制，从而显著提升有机太阳能电池的吸收能力，提高器件性能。与叠层器件相比，三元共混器件制备工艺可以保持和传统二元共混器件一样简单，因此得到更为广泛地研究。最近，四川大学彭强教授课题组将新开发的受体材料用在三元共混器件中，并通过使用挥发性添加剂对其形貌进一步优化，获得了高达19.05%的单节有机太阳能电池新纪录，相关成果发表在Adv. Mater. (DOI: 10.1002/adma.202107476)。这些研究成果极大地推动了有机太阳能电池的发展。

彭强教授简介

彭强，博士，四川大学教授，博士生导师，高分子材料工程国家重点实验室固定研究人员。先后获得英国皇家化学会会士（2020），国家杰出青年基金（2018），教育部新世纪优秀人才支持计划（2009），四川省学术和技术带头人（2014），四川省千人计划（2013），四川省杰出青年基金（2013），江西省新世纪百千万人才工程（2009），江西省五四青年奖章（2009）。英国皇家化学学会2018、2019年度Top 1%中国高被引学者。目前担任Small Structure顾问编委（Editorial Advisory Board），Current Applied Materials编委（Section Editor），Chin. Chem. Lett.和Molecules编委，中国化工学会化工材料专业委员会专家委员、中国感光学会光电材料与器件分会专家委员。长期从事光电能源材料与器件的研究工作，主要涉及有机高分子太阳能电池、电致发光材料与器件、碳基纳米能源材料与器件等。

近年来在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等国内外期刊上发表学术论文近200篇，SCI收录170余篇，影响因子大于5.0的有100余篇，影响因子大于10.0的有50余篇。其中10余篇论文单篇引用超过100次，2篇入选中国百篇最具国际影响力论文，10余篇入选ESI高被引论文，6篇入选ESI热点论文，20余篇入选发表期刊的热点论文或封面论文，20余篇被Material Views China等亮点介绍。撰写学术专著章节3章，申请中国发明专利20余项(已授权13项)。先后主持或参与科技部重大研究计划、国家自然科学基金（集成项目、重点、面上、青年基金）、科技部国际合作项目、教育部新世纪优秀人才支持计划项目等30多项国家和省部级科研课题。2002年获香港求是基金会研究生奖、2004年获新加坡千禧基金会（SMF）博士后奖、2009年获江西省高等学校科技成果二等奖(排名第1)，2010年获江西省自然科学奖二等奖（排名第1），2021年获得四川省自科学技术奖自然科学奖一等奖。

彭强教授团队长期致力于有机太阳能电池关键材料的设计合成以及器件工艺开发的研究。近5年来，该团队设计合成了一系列的高性能给受体材料（Adv. Mater. 2022, 34, 2109516；Chem. Mater. 2021, 33, 18, 7396；Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907570；ACS Energy Lett. 2020, 5, 2434；Adv. Mater. 2019, 31, 1901872；Adv. Mater. 2019, 31, 1906045；Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902079；Adv. Mater. 2018, 30, 1800737；Adv. Mater. 2018, 30, 1703973；Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906587；Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1602773；Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707493；Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706404；Nano Energy 2018, 53, 258；Adv. Mater. 2017, 29, 1606054；Adv. Mater. 2017, 29, 1605115；Energy Environ. Sci. 2017, 10, 1739；Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1701491；Nano Energy 2017, 40, 214等）以及界面材料（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 22554；Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1801480；J. Mater. Chem. A 2018, 6, 22503；Sol. RRL 2018, 2, 1800186；Sol. RRL 2018, 2, 1800182）用在有机太阳能能电池之中。同时发展了一系列的活性层形貌调控工艺，包括：有机金属络合工艺（Adv. Mater. 2019, 31, 1901872；Adv. Mater. 2018, 30, 1800737）、溶剂老化（延时处理）工艺（Energy Environ. Sci., 2020, 13, 4381；Adv. Mater. 2019, 31, 1906045）、交叉异质结形貌制备工艺（Adv. Funct. Mater. 2021, 2108797）以及广泛运用的三元共混以及分子掺杂工艺（Adv. Mater. 2022, 34, 2109516；Chem. Mater. 2021, 33, 18, 7396；Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707493；Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907570；Nano Energy 2018, 53, 258；Adv. Mater. 2017, 29, 1704271）等。

前沿科研成果

三元共混有机太阳能电池形貌研究综述

有机太阳能电池活性层的形貌会显著影响有机太阳能电池的最终器件性能。与传统二元共混器件相比，三元共混器件通过引入第三组分使得活性层的形貌更加复杂，其工作机制与第三组分在活性层中的分布密切相关（图1）。因此，深入探究三元共混有机太阳能电池形貌特征、工作机制及其器件性能之间的联系至关重要。据此，彭强教授团队在该综述中系统总结并分析了近年来三元共混有机太阳能电池的形貌研究进展。

图1.（a）三元共混有机太阳能电池的几种工作机制示意图；（b）三元共混有机太阳能电池活性层中第三组分在主组分中的分布示意图

（来源：Adv. Mater.）

作者首先介绍了影响形貌的溶解度参数和可混性参数。详细介绍了如何通过Hansen溶解度参数理论计算溶解度参数，并进一步计算不同组分与溶剂的Flory–Huggins相互作用因子（χ），来预测溶剂的溶解性差异对活性层形貌的影响。作者同时介绍了两种常用的预测不同组分之间的χ值的方法：1）差示扫描量热分析法；2）表面能预测法。通过具体举例介绍了一些利用上述方法预测活性层形貌的典型工作。

其次，作者从4个方面介绍了三元共混活性层的形貌参数：1）分子结晶性；2）分子堆积取向；3）相分离尺寸和相纯度；4）纵向相分离。通过第三组分的引入，可以逐步调节分子的结晶性和分子堆积取向，并且优化活性层的相分离尺寸和纯度，进而提升其器件性能（图2）。与此同时，由于分子表面能差异，第三组分的引入也可以调节活性层的纵向相分布，进一步促进电荷传输，提高器件效率。

图2. 广角掠入射X-射线衍射测试材料的（a）结晶性和（b）堆积取向；（c,d,e）谐振软X-射线测试材料的相分离尺寸和相纯度

（来源：Adv. Mater.）

随后，作者举例介绍了几种常用的用于更直观地观测和分析三元共混活性层的形貌测试技术，包括：1）原子力显微镜（AFM）；2）导电原子力显微镜（C-AFM）；3）光诱导力显微镜（Pi-FM）；4）透射电子显微镜（TEM）；5）能量过滤透射电镜（EF-TEM）；6）高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF）等（图3）。

图3.（a-f）能量过滤透射电镜（EF-TEM）用于三元共混活性层形貌的观测；（g,h）原子力显微镜用于活性层形貌的观测

（来源：Adv. Mater.）

接下来，作者综述了三元共混器件的形貌稳定性问题。在这一部分，作者举例介绍了通过第三组分的引入提升活性层形貌稳定性的进展，这些第三组分包括：1）富勒烯衍生物；2）非富勒烯受体；3）聚合物受体；4）氢键作用小分子；5）UV交联聚合物等。

最后，作者对三元共混有机太阳能电池的未来发展提出了看法，总结了当前存在的技术挑战和发展趋势。

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