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  有機(jī)光伏電池活性層形貌對(duì)器件性能具有至關(guān)重要的影響。給受體晶體相干長(zhǎng)度增加利于載流子傳輸與收集，共混相含量提高能夠促進(jìn)激子分離效率提高。因此，活性層具有較長(zhǎng)的晶體相干長(zhǎng)度（CLs）和適宜的共混相含量，對(duì)于提高器件性能具有重要意義。然而，對(duì)于大多數(shù)共混體系而言，相干長(zhǎng)度增加與共混相含量提高之間相互矛盾：增加CLs通常會(huì)減少混合相含量，導(dǎo)致激子解離界面不足。由此可見，如何在增大給受體晶體相干長(zhǎng)度的同時(shí)保持適宜的共混相含量，是進(jìn)一步提高器件能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。

圖1.（A）P3HT與O-IDTBR化學(xué)結(jié)構(gòu)式及能級(jí)結(jié)構(gòu)

  前期工作中，劉劍剛教授團(tuán)隊(duì)利用溶劑工程實(shí)現(xiàn)了P3HT/O-IDTBR共混體系活性層形貌的優(yōu)化，建立了添加劑沸點(diǎn)及含量與活性層聚集態(tài)結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián)。（Adv. Funct. Mater. 2019，1807591；J. Energ. Chem. 2020，333）結(jié)果表明，提高添加劑含量或者沸點(diǎn)雖然能夠有效增加CLs，但共混相降含量隨之降低，導(dǎo)致激子分離效率下降，不利于器件能量轉(zhuǎn)換效率的提高。

圖2.（A）演示擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)過程的示意圖。（B）P3HT-H與P3HT-L溶液在滴注后立即和20秒擴(kuò)散到CB中的圖像，虛線標(biāo)記P3HT溶液的邊緣。

  針對(duì)上述問題，本部分工作中劉劍剛教授團(tuán)隊(duì)利用不同分子量P3HT分子本征特性的差異，解決了相干長(zhǎng)度增加與共混相含量降低這一矛盾，實(shí)現(xiàn)了在活性層共混相含量基本保持恒定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高CLs的目標(biāo)：從動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，低分子量P3HT（P3HT-L）分子相較于高分子量P3HT（P3HT-H）擴(kuò)散能力更強(qiáng)，能夠有效降低P3HT-H的纏結(jié)程度，利于其自組織結(jié)晶，形成較長(zhǎng)的CLs；從熱力學(xué)角度分析，給受體間相容性差異（P3HT-L/O-IDTBR的相容性低于P3HT-H/O-IDTBR的相容性）會(huì)驅(qū)動(dòng)P3HT-L分子優(yōu)先滯留在P3HT-H相區(qū)，不影響由P3HT-H和O-IDTBR組成的共混相，使得共混相含量保持恒定。形貌優(yōu)化后，器件性能從7.03%提高至7.80%，該工作為如何優(yōu)化聚合物/非富勒烯活性層精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了新思路。

圖3. P3HT-H/O-IDTBR（A）和P3HT-H/O-IDTBR（B）熱循環(huán)的DSC吸熱過程。根據(jù)DSC圖譜獲得P3HT/O-IDTBR共混體系相圖（C）。（D）P3HT-H/O-IDTBR和P3HT-H/P3HT-L/O-IDTBR共混體系的納米結(jié)構(gòu)示意圖。

  以上成果發(fā)表在Small（Small 2021, 2103804）上，該論文第一作者為西北工業(yè)大學(xué)梁秋菊副教授，通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)劉劍剛教授，共同通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)黃維院士以及中國(guó)科技大學(xué)焦學(xué)琛教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202103804