【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】全聚合物太陽(yáng)能電池(APSCs)具有優(yōu)異柔韌性、溶液加工性和熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)，在可穿戴、可拉伸設(shè)備的輕量、大面積印刷應(yīng)用方面有著廣闊的前景?；钚詫有蚊矁?yōu)化，特別是調(diào)控給體結(jié)晶與相分離是其關(guān)鍵，但溶劑蒸汽退火 (SVA)等后處理過程的實(shí)時(shí)形貌演變機(jī)制尚不清晰。
 

　　針對(duì)上述研究問題，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(上海光源科學(xué)中心)楊春明研究員等基于上海光源小角散射線站(BL16B1，BL10U1)，建立了有機(jī)太陽(yáng)能電池原位掠入射X射線散射研究平臺(tái)。他們利用同步輻射掠入射廣角X射線散射 (GIWAXS)、原位紫外-可見光譜 (UV-vis) 結(jié)合掠入射小角X射線散射 (GISAXS) 技術(shù)，實(shí)時(shí)追蹤了刮涂法制備的PM6: PY-IT全聚合物電池活性層在SVA過程中的動(dòng)態(tài)形貌變化。該研究首次揭示了SVA調(diào)控全聚合物共混薄膜形態(tài)的三階段機(jī)制(溶脹 - 再結(jié)晶 - 重排)及其與性能的關(guān)聯(lián)(圖1)。相關(guān)工作以“Real-Time Probing of Morphological Evolution and Recrystallization During Solvent Annealing in Blade-Coated All-Polymer Organic Solar Cells Using In Situ X-Ray Scattering”為題發(fā)表于Advanced Science。
 

　　圖1.刮涂全聚合物太陽(yáng)能電池溶劑蒸汽退火過程中 (a) 原位GIWAXS和UV-vis同時(shí)測(cè)量示意圖，
 

　　(b) 采用不同溶劑蒸汽SVA處理下的微觀形貌演變示意圖。
 

　　原位UV-vis結(jié)果表明，在飽和蒸氣壓高、溶解度低的非極性溶劑二硫化碳(CS2)蒸汽作用下，PY-IT 吸收峰出現(xiàn)紅移；而在飽和蒸氣壓低、溶解度高的極性溶劑氯仿(CF)蒸汽作用下，該峰則出現(xiàn)藍(lán)移。這表明極性溶劑對(duì)聚合物受體(PY-IT)的影響更為顯著，誘導(dǎo)其分子鏈構(gòu)象變化(藍(lán)移)，形成更致密的空穴傳輸層，從而提升空穴傳輸效率。原位GIWAXS分析確認(rèn)SVA 過程包含三個(gè)特征階段：溶劑溶脹、再結(jié)晶和分子重排。適度的SVA時(shí)間有助于穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為晶格間距減小、載流子遷移率增加以及相分離尺寸優(yōu)化，最終提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。然而，過度的SVA可能導(dǎo)致分子重排階段晶體重新膨脹，不利于性能提升，熱退火(TA)預(yù)處理可有效抑制這種不良膨脹(圖2)。GISAXS 測(cè)量在介觀尺度水平上進(jìn)一步研究了納米級(jí)相分離行為，TA+CF溶劑蒸汽退火組合處理的薄膜展現(xiàn)出最優(yōu)的形貌特征，包括最大的給體相干長(zhǎng)度(ξ)、最大的受體聚集相尺寸(2Rg)、最高的受體分形維數(shù)(D)以及最大的受體相干長(zhǎng)度(η)。TA預(yù)處理誘導(dǎo)的PY-IT聚集體尺寸增大，是實(shí)現(xiàn)適度結(jié)晶度和理想相分離的關(guān)鍵，有助于促進(jìn)高效的電荷分離與傳輸。該研究闡明了關(guān)鍵機(jī)制：極性溶劑SVA主要優(yōu)化分子堆積，而非極性溶劑SVA則更傾向于促進(jìn)相分離。 這為高性能刮涂器件提供了明確的工藝-材料協(xié)同優(yōu)化策略(如TA與極性溶劑SVA的組合)。同時(shí)，研究結(jié)果為后續(xù)探索多溶劑協(xié)同退火、動(dòng)態(tài)過程的精準(zhǔn)調(diào)控以及發(fā)展環(huán)境友好的綠色工藝奠定了重要基礎(chǔ)，將有力推動(dòng)大面積柔性APSCs的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
 

　　圖2.刮涂全聚合物太陽(yáng)能電池活性層(PM6: PY-IT)薄膜(100)峰的晶面間距(d-spacing)和結(jié)晶相干長(zhǎng)度(CCL)在不同后處理下隨時(shí)間的演變：a) CF、b) TA + CF、c) CS2 和 d) TA + CS2。

 

　　中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院課題生郝嘉亮、馮楊、馬千一和四川大學(xué)李鴻祥副研究員為論文共同第一作者。上海光源科學(xué)中心楊春明研究員、太原科技大學(xué)王遠(yuǎn)洋教授和香港理工大學(xué)馬睿杰博士為論文通訊作者，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院為第一完成單位。該工作得到了上海光源科學(xué)中心邊風(fēng)剛研究員、李秀宏研究員、高興宇研究員、李愛國(guó)研究員、黃宇營(yíng)研究員、西北工業(yè)大學(xué)宋霖教授和北京科技大學(xué)姜乃生教授等人的支持和幫助。本項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市重大科技項(xiàng)目以及中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。該工作還得到上海光源BL19U2, BL17UM和BL18B以及上海光源實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)提供的支持和幫助。