北航孙艳明教授：纤维网络策略构筑理想体相异质结太阳能电池形貌

中国科学化学 2021-12-24

北京航空航天大学化学学院孙艳明教授介绍了“纤维网络策略”（FNS）的机理以及影响纤维网络形貌的因素，并总结了近几年中从富勒烯到非富勒烯、从二元到三元太阳能电池，利用FNS在调控活性层形貌，改善器件性能的重要研究进展。

有机太阳能电池具有重量轻、成本低以及可在柔性基底上进行卷对卷（roll-to-roll）打印等独特优势，在柔性可穿戴电子设备和建筑一体化领域展现出巨大的市场前景。目前，高效率有机太阳能电池通常采用体相异质结结构（由电子给体和电子受体的材料共混组成）。理想的体相异质结太阳能电池微观形貌应形成具有较大界面区域的双连续互穿网络结构，以保证激子的有效扩散、解离和载流子的运输。所以体相异质结形貌调控一直是有机光伏领域的研究重点和难点。电子给、受体材料在成膜过程中受结晶动力学和热力学影响，相分离行为比较复杂。譬如：部分材料体系在成膜过程中会产生大面积的混合区域或单组分聚集，从而导致严重的电荷复合。因此构筑理想的体相异质结形貌极具挑战性。

调控活性层的结晶度和相纯度，通常采用的方法是加添加剂和热/溶剂退火，但这些处理方法多是基于经验并且特别依赖于材料体系。北京航空航天大学化学学院孙艳明教授提出了一种新策略，即“纤维网络策略”（FNS）来调控相分离，为构筑理想的体相异质结太阳能电池微观形貌提供了新的思路。

许多给体-受体(D-A)型共轭聚合物在薄膜状态下可以自组装成长轴平行于共轭主链的纳米纤维, 并且其链内电荷传输效率很高。该纤维组装可以通过形成网络结构以构建形貌框架（如图1a）。这种使用给体纤维形成空穴传输网络，并在纤维网络之间插入传输电子的受体（例如图1b中的富勒烯）的形貌，十分类似于理想的体相异质结双连续网络。形象地说，活性层中的给体纤维网络就像一个高速公路网络，其中激子在给体纤维和受体之间的界面处被分离成电子和空穴，然后这些空穴可以沿着给体纤维的高速公路网络迅速扩散到电极，最终提高有机光伏器件性能。这种方法被定义为“纤维网络策略”（FNS），并且基于FNS，孙艳明教授课题组进行了深入研究并取得了系列成果。

图1. (a) 纯聚合物给体在薄膜中形成的纤维网络结构的示意图，(b)聚合物给体和富勒烯受体共混膜中纤维网络形貌的示意图。插图为电荷转移路径。

近期，Science China Chemistry邀请孙艳明教授撰写了综述文章“Optimal bulk-heterojunction morphology enabled by fibril network strategy for high-performance organic solar cells”。

文章叙述了FNS的机理以及影响纤维网络形貌的因素，并总结了近几年中从富勒烯到非富勒烯、从二元到三元太阳能电池，利用FNS在调控活性层形貌，改善器件性能上的重要研究进展，包括：（1）通过FNS在各种二元、三元体系上的应用，证明纤维网络形貌可以显著提升有机太阳能电池性能；（2）通过修饰聚合物化学结构来调节聚合物纤维尺寸，进而影响和调控纤维网络形貌；最后，结合目前的研究现状，对下一步如何深入研究纤维网络形貌以及促进有机太阳能电池的发展进行了总结与展望。

详见：Xia T, Cai Y, Fu H, Sun Y. Optimal bulk-heterojunction morphology enabled by fibril network strategy for high-performance organic solar cells. Sci. China Chem., 2019, 62(6): 662-668, https://doi.org/10.1007/s11426-019-9478-2.

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孙艳明 北京航空航天大学化学学院，教授、博士生导师。2002年本科毕业于山东大学化学学院。2007年获得中国科学院化学研究所物理化学专业博士学位。之后分别在英国曼彻斯特大学和美国加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究。2013年回到北航工作。2018年度获得国家杰出青年科学基金。主要从事有机光电功能材料与器件的研究工作。在Nature Mater., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.， Adv. Mater.等杂志上发表SCI 论文120余篇。论文被他引9000余次，单篇最高引用超过1000次。