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  有機(jī)光伏器件由于其良好的溶液加工性，可制備柔性器件，透明度和顏色可調(diào)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到領(lǐng)域內(nèi)研究人員的廣泛關(guān)注。其中，基于全聚合物的太陽能電池 (all-polymer solar cells) 由于其自身良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的器件穩(wěn)定性，被認(rèn)為是更有可能實(shí)現(xiàn)未來應(yīng)用的光伏器件。然而，目前報(bào)道的高效率全聚合物太陽能電池 (PCE>15%)均基于旋涂方法，由于旋涂法(spin coating)自身浪費(fèi)材料，難以大面積制備，成膜時(shí)間較短等原因，亟待開展基于可適用于未來規(guī)模化生產(chǎn)的溶液印刷方法的高效率全聚合物的太陽能電池, 其相關(guān)成膜機(jī)理也需要深入研究。

  近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士、王京霞研究員團(tuán)隊(duì)與北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院霍利軍教授團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種基于彎液面誘導(dǎo)成膜(Meniscus Assisted Coating)的光伏活性層制備技術(shù)，并選取了具有良好吸收光譜互補(bǔ)和電子能級(jí)匹配的聚合物給體PM6和聚合物受體PY-IT作為光活性層材料，所制備備的全聚合物太陽能電池效率為15.53%，高于傳統(tǒng)旋涂法制備的14.58%。相關(guān)活性層形貌表征及瞬態(tài)吸收光譜動(dòng)力學(xué)分析表明，基于彎液面誘導(dǎo)成膜法制備的活性層具有更有序的分子堆積和更為良好的纖維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此具有更高效的電荷轉(zhuǎn)移和輸運(yùn)過程。

  研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合成膜過程中的三相接觸線的移動(dòng)和原位吸收光譜研究了不同溶液剪切速度條件下的三相接觸線形態(tài)和材料結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明，在剪切速率為2 mm/s時(shí)，三相接觸線保持了平直均勻的移動(dòng)；且在該剪切速率下，活性層材料保持了較為合適的結(jié)晶速率和結(jié)晶性，從而獲得形貌上更均勻、具有更合適相分離尺寸和結(jié)晶性的活性層薄膜。

  在此成膜機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將該彎液面誘導(dǎo)成膜法有效拓展至1×1 cm器件制備(PCE>12%)和多種活性層薄膜制備，在PM6:Y6、PBDB-T:PY-IT、PM6:PYF-T-o體系均取得了15%以上的器件效率。

圖1.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法的制備過程，活性層材料分子結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，單組分薄膜結(jié)晶性表征。

圖2.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法和旋涂法制備的全聚合物太陽能電池的器件性能及瞬態(tài)吸收光譜表征。

圖3.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法和旋涂法制備的活性層薄膜形貌和結(jié)晶性表征。

圖4.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法的成膜機(jī)理及成膜過程中不同剪切速率下的三相接觸線形態(tài)和移動(dòng)。

圖 5.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法成膜過程中不同剪切速率下的原位吸收光譜及對(duì)應(yīng)的結(jié)晶過程示意圖。

  本工作的開展不僅提供了一種簡(jiǎn)單有效的制備全聚合物太陽能電池的溶液印刷方法，并對(duì)剪切速率的不同對(duì)成膜形貌的影響提供了重要的理論指導(dǎo)。

  相關(guān)研究結(jié)果以 “The Meniscus-assisted-coating with Optimized Active Layer Morphology towards Highly Efficient All-polymer Solar Cells”發(fā)表在《Advanced Materials》上。該文章通訊作者為中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所王京霞研究員和北京航空航天大學(xué)霍利軍教授。第一作者為中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所博士研究生岳鈺琛。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士為本研究提供了專業(yè)的指導(dǎo)和幫助。特別感謝北京大學(xué)占肖衛(wèi)教授的在課題開展過程中給與的指導(dǎo)和幫助。

  感謝國家自然基金項(xiàng)目（51873221，52073292，51673207，51373183），國家重大研究計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFA0204504）與中國科學(xué)院荷蘭研究項(xiàng)目（1A111KYSB20190072），北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202108508