【儀表網 研發快訊】全聚合物太陽能電池(APSCs)具有優異柔韌性、溶液加工性和熱穩定性的特點，在可穿戴、可拉伸設備的輕量、大面積印刷應用方面有著廣闊的前景。活性層形貌優化，特別是調控給體結晶與相分離是其關鍵，但溶劑蒸汽退火 (SVA)等后處理過程的實時形貌演變機制尚不清晰。
針對上述研究問題，中國科學院上海高等研究院(上海光源科學中心)楊春明研究員等基于上海光源小角散射線站(BL16B1，BL10U1)，建立了有機太陽能電池原位掠入射X射線散射研究平臺。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) 結合掠入射小角X射線散射 (GISAXS) 技術，實時追蹤了刮涂法制備的PM6: PY-IT全聚合物電池活性層在SVA過程中的動態形貌變化。該研究首次揭示了SVA調控全聚合物共混薄膜形態的三階段機制(溶脹 - 再結晶 - 重排)及其與性能的關聯(圖1)。相關工作以“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”為題發表于Advanced Science。
圖1.刮涂全聚合物太陽能電池溶劑蒸汽退火過程中 (a) 原位GIWAXS和UV-vis同時測量示意圖，
(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，該峰則出現藍移。這表明極性溶劑對聚合物受體(PY-IT)的影響更為顯著，誘導其分子鏈構象變化(藍移)，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SVA 過程包含三個特征階段：溶劑溶脹、再結晶和分子重排。適度的SVA時間有助于穩定晶體結構，表現為晶格間距減小、載流子遷移率增加以及相分離尺寸優化，最終提升器件的光電轉換效率(PCE)。然而，過度的SVA可能導致分子重排階段晶體重新膨脹，不利于性能提升，熱退火(TA)預處理可有效抑制這種不良膨脹(圖2)。GISAXS 測量在介觀尺度水平上進一步研究了納米級相分離行為，TA+CF溶劑蒸汽退火組合處理的薄膜展現出最優的形貌特征，包括最大的給體相干長度(ξ)、最大的受體聚集相尺寸(2Rg)、最高的受體分形維數(D)以及最大的受體相干長度(η)。TA預處理誘導的PY-IT聚集體尺寸增大，是實現適度結晶度和理想相分離的關鍵，有助于促進高效的電荷分離與傳輸。該研究闡明了關鍵機制：極性溶劑SVA主要優化分子堆積，而非極性溶劑SVA則更傾向于促進相分離。 這為高性能刮涂器件提供了明確的工藝-材料協同優化策略(如TA與極性溶劑SVA的組合)。同時，研究結果為后續探索多溶劑協同退火、動態過程的精準調控以及發展環境友好的綠色工藝奠定了重要基礎，將有力推動大面積柔性APSCs的產業化進程。
圖2.刮涂全聚合物太陽能電池活性層(PM6: PY-IT)薄膜(100)峰的晶面間距(d-spacing)和結晶相干長度(CCL)在不同后處理下隨時間的演變：a) CF、b) TA + CF、c) CS2 和 d) TA + CS2。
中國科學院上海高等研究院課題生郝嘉亮、馮楊、馬千一和四川大學李鴻祥副研究員為論文共同第一作者。上海光源科學中心楊春明研究員、太原科技大學王遠洋教授和香港理工大學馬睿杰博士為論文通訊作者，中國科學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中心邊風剛研究員、李秀宏研究員、高興宇研究員、李愛國研究員、黃宇營研究員、西北工業大學宋霖教授和北京科技大學姜乃生教授等人的支持和幫助。本項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市重大科技項目以及中國科學院戰略性先導科技專項等項目的資助。該工作還得到上海光源BL19U2, BL17UM和BL18B以及上海光源實驗輔助系統提供的支持和幫助。
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