有机太阳能电池（OSC）以低成本、轻量化和柔性等优势吸引广泛关注，但其效率和稳定性受限于活性层形貌对加工溶剂的敏感性。传统卤代溶剂加工虽性能优异，却因环境危害难以商业化。
本研究设计新型受体材料 BTP-TO2，透过结合 OEG 侧链，实现卤代与非卤代溶剂间稳定形貌并达到约 19% 的高效率，为 OSC 的高效、稳定与环保化提供新路径。
1. 研究成就与看点:
本研究开发了一种新型受体材料BTP-TO2，该材料在各种溶剂中处理后，都能形成相似的活性层形貌，并始终保持在19%左右的高功率转换效率 (PCE)。
通过实验和计算方法，研究团队深入探讨了溶液状态、薄膜形成动力学以及处理后薄膜的特性，并确定了控制形态的关键因素：受体材料侧链与溶剂之间的相互作用，以及施主和受体材料之间的相互作用。
此研究为形态控制这个长期存在于有机太阳能电池领域的问题提供了新的理解，并为设计面向实际应用（需要使用绿色溶剂进行大规模生产）的有机太阳能电池材料提供了有效的指导。
2. 研究团队:
第一作者：Rui Zhang林雪平大学
通讯作者：林雪平大学 高峰、苏州大学 李耀文、吉林大学 王同辉
携手带领多个研究机构的科研人员合作完成。
3. 研究背景:
在有机太阳能电池 (OSC) 领域，活性层的形态对于器件性能至关重。高效的 OSC 通常需要在活性层中形成精细的奈米级相分离结构，以促进激子分离、电荷传输和收集。
然而，控制活性层形态一直是一项重大挑战，因为它受到多种因素的影响，包括施主和受体材料的化学结构、溶剂的性质、溶液浓度、加工温度和后处理条件。
传统上，研究人员主要关注通过后处理方法（例如热退火或溶剂退火）来优化形态。但是，这些方法通常难以控制，并且在实际应用中难以实现，尤其是在大规模生产中。
近年来，人们越来越关注通过材料设计来控制形态，以简化加工步骤并提高器件性能的可控性。
然而，设计具有特定形态特征的材料仍然是一项艰巨的任务。
其中一个主要挑战是理解溶液状态下施主和受体材料的分子间相互作用如何影响薄膜形成过程和最终的薄膜形态。
另一个挑战是寻找能够在不同溶剂中形成相似形态的材料，以避免使用卤化溶剂，从而促进 OSC 的商业化应用。
4. 解决方案:
为了解决上述挑战，本研究团队设计了一种新的受体材料BTP-TO2，该材料在其分子结构中引入了一个寡聚乙二醇 (OEG) 侧链，连接到其苯并三唑单元的中心氮原子上 。
OEG 侧链具有亲水性、极性和柔韧性，能够与各种溶剂产生强烈的相互作用。
这种设计策略旨在增强受体材料与溶剂之间的相互作用，从而使其在不同溶剂中都能维持稳定的分子构象，并减少施主和受体材料之间的相互作用。
这样的设计有助于控制薄膜形成过程中的组分沉积动力学，并最终形成不依赖于溶剂的薄膜形态。
5. 实验过程与步骤:
为了验证上述设计策略的有效性，研究团队进行了一系列实验和理论计算，以深入了解 BTP-TO2 的分子行为和其与聚合物施主 PM6 混合后的共混物特性。
材料制备:BTP-TO2 的合成路线如图 S1 所示。
研究团队通过核磁共振 (NMR) 光谱、基质辅助激光解吸/电离飞行时间 (MALDI-TOF) 质谱和热重分析等方法对 BTP-TO2 的分子结构和热稳定性进行了表征。
BTP-TO2 表现出优异的热稳定性，其分解温度超过 340 ℃。
溶液状态研究:研究团队利用紫外-可见 (UV-Vis) 吸收光谱和温度依赖的 UV-Vis 吸收光谱研究了 BTP-TO2 和 BTP-TC8 在不同溶剂（氯仿、氯苯、甲苯和对二甲苯）中的分子聚集状态。
结果表明，两种受体材料在不同溶剂中都表现出相似的吸收光谱，表明它们在这些溶剂中都具有良好的溶解性，且没有明显的聚集。
此外，研究团队还利用小角中子散射 (SANS) 技术对 BTP-TO2 和 BTP-TC8 在不同溶剂中的分子构象进行了分析。
SANS 数据表明，BTP-TO2 在不同溶剂中都保持相对稳定的构象，而 BTP-TC8 的构象则表现出明显的溶剂依赖性。
共混物溶液状态研究:为了研究施主和受体材料之间的相互作用，研究团队利用 SANS 和二维核磁共振 (2D NMR) 技术研究了 PM6:BTP-TO2 和 PM6:BTP-TC8 共混物在不同溶剂中的溶液状态。
SANS 数据分析表明，PM6:BTP-TO2 共混物在不同溶剂中都表现出相似的链构象，而 PM6:BTP-TC8 共混物的链构象则表现出明显的溶剂依赖性。
2D 1H-1H 核磁共振 (NOESY) 光谱进一步证实了 PM6:BTP-TO2 共混物中施主和受体材料之间的相互作用较弱，而 PM6:BTP-TC8 共混物中施主和受体材料之间的相互作用则较强。
薄膜形成动力学研究:为了研究溶剂对薄膜形成过程的影响，研究团队利用原位旋涂掠入射广角X射线散射 (GIWAXS) 技术对 PM6:BTP-TO2 和 PM6:BTP-TC8 共混物薄膜的形成过程进行了实时监测。
结果表明，PM6:BTP-TO2 共混物在不同溶剂中都表现出相似的沉积动力学，而 PM6:BTP-TC8 共混物的沉积动力学则表现出明显的溶剂依赖性。
这些结果表明，BTP-TO2 与溶剂之间的强相互作用能够有效地控制薄膜形成过程中的组分沉积，从而形成不依赖于溶剂的薄膜形态。
薄膜形态表征:为了表征薄膜的形态，研究团队采用了一系列技术，包括 GIWAXS、共振软X射线散射 (RSoXS) 和掠入射小角 X 射线散射 (GISAXS)。
这些技术可以提供有关薄膜结晶度、相分离和畴尺寸的信息。
6. 研究成果表征：
本研究使用了多种表征手段来分析材料和器件的特性，特别强调了与器件性能表征相关的部分：
器件性能: 研究团队制备了基于 PM6:BTP-TO2 和 PM6:BTP-TC8 的有机太阳能电池器件，并测试了它们在不同溶剂处理后的 光伏性能。
电流密度-电压 (J-V) 特性曲线 显示，PM6:BTP-TO2 基器件在不同溶剂处理后都表现出相似的 PCE，平均值约为 19.0%，最高值达到 19.07%（经第三方机构认证为 19.06%）。文献中明确使用了 光焱科技SS-F5-3A太阳光模拟器 进行光伏性能测试，并使用了 标准硅太阳能电池 对光强进行校准。相反，PM6:BTP-TC8 基器件的 PCE 表现出明显的溶剂依赖性，仅在使用氯仿作为溶剂时才能达到最佳性能 (17.61%)。
图 5a 显示，PM6:BTP-TO2 基器件在使用氯仿、氯苯、甲苯和对二甲苯等不同溶剂处理后，都表现出非常相似的 J-V 特性曲线，表明其光伏性能不受溶剂种类的影响。
相反，图 5b 显示，PM6:BTP-TC8 基器件的 J-V 特性曲线则表现出明显的溶剂依赖性，仅在使用氯仿作为溶剂时才能达到最佳性能。
这些结果与文献中强调的 BTP-TO2 具有溶剂不敏感性的结论相符，也突出了 OEG 侧链在控制薄膜形态方面的作用。
表 1 数据显示，PM6:BTP-TO2 基器件在不同溶剂处理后，其 PCE 值都非常接近，平均值约为 19.0%，最高值达到 19.07%。相反，PM6:BTP-TC8 基器件的 PCE 值则表现出明显的溶剂依赖性，在使用氯仿作为溶剂时，其 PCE 值最高 (17.61%)。这些数据进一步证实了 PM6:BTP-TO2 基器件具有优异的溶剂不敏感性，其光伏性能不受溶剂种类的影响。
推荐使用SS-X AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器。
外部量子效率 (EQE) 光谱 显示，PM6:BTP-TO2 基器件在不同溶剂处理后都具有较宽的光谱响应范围和较高的 EQE 值。文献中使用QE-R3011 太阳能电池光谱响应测量系统。进行 EQE 测试，并使用了 标准硅太阳能电池 对每个波长的光强进行校准。研究团队还对器件的 稳定性 进行了评估，发现 PM6:BTP-TO2 基器件在不同溶剂处理后都表现出良好的稳定性。
在连续工作 1200 小时后，其效率仍保持在初始值的 80% 以上。
补充图 26a 显示，PM6:BTP-TO2 基器件在使用不同溶剂（氯仿、氯苯、甲苯和对二甲苯）处理后，EQE 光谱几乎重疊，峰值都接近 80%，并且在 400 至 900 nm 的宽广波长范围内都具有高 EQE 值。这表明 PM6:BTP-TO2 基器件的光伏性能对溶剂种类不敏感，能够有效地将不同波长的光转换为电能。相反，补充图 26b 显示，PM6:BTP-TC8 基器件的 EQE 光谱则表现出明显的溶剂依赖性。使用氯仿处理的器件具有最高的 EQE 值，而使用其他溶剂处理的器件的 EQE 值则明显较低。这些结果与文献中强调的 BTP-TO2 具有溶剂不敏感性的结论相符，并突显了 OEG 侧链在控制薄膜形态方面的作用，使得基于 BTP-TO2 的器件在不同溶剂处理下都能保持高效的光电转换效率。
推荐使用QE-R 太陽能電池量子效率光學儀量測EQE
其他表征:
薄膜结晶度和取向: 静态二维 GIWAXS 数据显示，PM6:BTP-TO2 共混物薄膜在不同溶剂处理后都表现出相似的结晶结构和取向。
这表明 BTP-TO2 的 OEG 侧链能够有效地抑制溶剂对薄膜结晶过程的影响。
相分离和畴尺寸: RSoXS 和 GISAXS 数据表明，PM6:BTP-TO2 共混物薄膜在不同溶剂处理后都具有相似的相分离尺度和畴尺寸。
这些结果进一步证实了 BTP-TO2 的 OEG 侧链能够有效地控制薄膜的形态。
分子构象: 2D 1H-1H NOESY NMR 光谱和全原子分子动力学 (AA-MD) 模拟结果表明，BTP-TO2 在不同溶剂中都保持相对稳定的分子构象。
这得益于其 OEG 侧链与溶剂分子之间的强相互作用，能够有效地屏蔽溶剂对分子构象的影响。
凝聚能密度: AA-MD 模拟结果表明，BTP-TO2 的 OEG 侧链与溶剂分子之间的凝聚能密度 (CED) 高于溶剂分子之间的 CED。
这表明 BTP-TO2 与溶剂分子之间存在强烈的相互作用，能够有效地控制薄膜形成过程中的组分沉积。
7. 研究成果:
本研究开发了一种新的受体材料 BTP-TO2，并证明了其能够在不同溶剂中处理后形成相似的活性层形貌，从而实现高效且稳定的有机太阳能电池器件。
研究团队通过实验和计算方法，系统地研究了溶液状态、薄膜形成动力学以及处理后薄膜的特性，并确定了控制形态的关键因素：
受体材料侧链与溶剂之间的相互作用，以及施主和受体材料之间的相互作用。
本研究为设计面向实际应用（需要使用绿色溶剂进行大规模生产）的有机太阳能电池材料提供了有效的指导。
研究团队成功制备了基于 PM6:BTP-TO2 的大面积有机太阳能电池模块，并在使用甲苯作为溶剂的情况下，获得了 16.26% 的高 PCE 。
这是目前使用非卤化溶剂处理的大面积有机太阳能电池模块的高效率之一。
本研究的重要研究手段包括：
材料设计: 合理设计受体材料的侧链结构，以增强其与溶剂的相互作用。
溶液状态研究: 利用 UV-Vis 吸收光谱、SANS 和 2D NMR 技术研究材料在不同溶剂中的分子聚集状态和构象。
薄膜形成动力学研究: 利用原位 GIWAXS 技术实时监测薄膜的形成过程，以了解溶剂对组分沉积的影响。
薄膜形态表征: 利用 GIWAXS、RSoXS 和 GISAXS 技术表征薄膜的结晶度、相分离和畴尺寸。
器件性能表征: 利用太阳光模拟器和量子效率测量仪测试器件的 J-V 特性曲线、EQE 光谱和稳定性。
文献参考自Nature Energy_DOI: 10.1038/s41560-024-01678-5
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