2023年10月31日，《Nature Communications》杂志以在线全文Article的形式发表了香港科技大学颜河教授课题组与北京航空航天大学孙艳明教授课题组在有机太阳能电池领域的最新研究成果“Auxiliary sequential deposition enables 19%-efficiency organic solar cells processed from halogen-free solvents”。香港科技大学博士后罗四维，香港科技大学博士后李超，香港中文大学（深圳）助理教授张健全，香港科技大学博士后邹昕卉为论文的第一作者，颜河教授和孙艳明教授为论文的通讯作者。
有机太阳能电池(OSCs)作为一种清洁无污染的新型光伏技术，因其具有成本低、质量轻、柔性和可溶液法大面积加工等优点，并在物联网和建筑一体化等领域具有广阔的应用前景, 受到了科研界和产业界的广泛关注。近年来，随着Y-系列受体分子材料（如Y6, BTP-eC9, L8-BO等）的发展，有机太阳能电池效率不断攀升，目前二元电池器件效率已经超过19%。然而，绝大多数高效率OSCs在器件制备过程中需要使用有毒的卤化溶剂（如氯仿，氯苯，邻二氯苯等）和不易挥发的液体添加剂（如1，8-二碘辛烷，1-氯萘等），这极大限制了OSCs的产业化发展。因此，发展新型的加工工艺或者开发新的高性能有机光伏材料，进而制备出兼具高效率、无添加剂残留的、非卤溶剂加工的有机太阳能电池器件，是目前科研人员一直关注和致力于解决的关键科学问题。
图1. （a）辅助逐步沉积（ASD）器件制备示意图及（b）D18-Cl，L8-BO，L8-BO-X，DTT的分子结构。
针对这一关键科学问题，香港科技大学颜河教授课题组和北京航空航天大学孙艳明教授课题组通力合作，报道了一种辅助逐步沉积（auxiliary sequential deposition，ASD）的新加工方法，并结合对高性能L8-BO分子材料的进一步结构优化设计，使得非卤溶剂加工的有机太阳能电池器件效率超过19% （图1）。
不同于传统的共混旋涂（Blend Casting, BC）和逐步沉积（Sequential Deposition, SD）加工方法, 新报道的ASD加工方法依次旋涂了聚合物给体，加工助剂和小分子受体的甲苯溶液。这一新工艺是在给体层（D18-Cl）和受体层（L8-BO）的逐步沉积工艺之间额外旋涂了一层可挥发性固体添加剂并三噻吩(dithieno[3,2-b:2',3'-d]thiophene，DTT) 作为加工助剂。当旋涂加工助剂的甲苯溶液时，高结晶的DTT可以渗透进入聚合物给体D18-Cl的纤维网络中，并诱导预先形成纳米尺度聚合物纤维。随后旋涂L8-BO受体的甲苯溶液时，L8-BO能替换DTT，进而与D18-Cl纤维网络相互缠结，并形成高度结晶的异质结结构。ASD策略可以通过预先形成纳米多孔纤维网络来诱导材料形成理想的结晶和相分离状态。
通过结合广角X射线衍射、共振软X射线散射（图2）、断层UV光谱（图3）、瞬态光电压/光电流（图4）、瞬态吸收光谱（图5）等多种表征技术，作者发现ASD工艺可以使供体和受体之间形成更优化的垂直相分离结构。一方面，D/A界面的显著扩大可以实现有效的电荷分离；另一方面，电荷复合得到有效的抑制。与传统的BC和SD方法相比，ASD方法可将基于无卤溶剂的D18-Cl:L8-BO器件效率提高至18%以上。同时，通过对L8-BO的进一步侧链工程优化，作者开发了新型小分子受体L8-BO-X，结合ASD方法制备的二元电池器件效率可以进一步提升到19%以上，为目前文献报道中绿色溶剂加工的有机太阳能电池的最高值之一（图6）。此外，作者将ASD工艺进一步拓展到了不同的材料体系上，与BC和SD工艺相比，ASD工艺处理的相应电池器件的光伏性能都得到了提升。该研究工作展示出了辅助逐步沉积工艺在制备高效率非卤溶剂加工有机太阳能电池的潜力，为制备高效率、无添加剂残留、绿色环保的有机太阳能电池器件提供了新的思路。
图2. 不同加工方法下的光活性层的形貌表征。
图3. 不同加工方法下的光活性层断层UV光谱。
图4. BC, SD和ASD加工器件的光物理表征。
图5. BC, SD和ASD加工器件的瞬态吸收光谱表征。
图6. BC, SD和ASD加工器件的光伏性能的比较。
作者简历
罗四维，本科毕业于大连理工大学，获理学学士学位。随后，他在莫纳什大学获得理学硕士学位。现为香港科技大学化学系博士研究生，师从香港科技大学颜河教授。主要研究方向为有机太阳能电池的器件制备和光伏材料的设计合成。截至目前，以第一(含共同一作)身份在Nature Communications，Nano Energy，Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表学术论文多篇。
李超，2017年6月硕士毕业于湘潭大学化学学院高分子化学与物理专业，硕士导师为陈华杰教授。2020年6月博士毕业于北京航空航天大学化学学院材料物理与化学专业，博士导师为孙艳明教授。从2020年11月开始，加入香港科技大学化学系颜河讲席教授课题组从事博士后研究。李超博士主要从事有机太阳能电池非富勒烯受体材料的设计，合成及光伏性能研究。在运用不对称多元稠环策略和支化侧链取代策略上，先后开发了一系列性能优异的非富勒烯受体材料。其中支化侧链取代的L8-BO小分子受体（Nat. Energy, 2021, 6, 605）成为了本领域广泛使用的一种高性能非富勒烯受体材料，并被国内外多家公司生成和销售。截至目前，以第一(含共同一作)/通讯作者身份在Nature Energy, Nature Communications, Matter, Advanced Energy Materials等期刊上发表学术论文15篇。其中以第一作者身份发表在Nature Energy期刊上的研究工作引用次数超过1000次，并入选了2021年中国百篇最具影响国际学术论文。
张健全，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，博士生导师，国家级人才项目入选者。张健全博士2015年本科毕业于浙江大学高分子材料与工程专业，以及竺可桢学院工程教育高级班；2019年博士毕业于香港科技大学化学系，获香港政府奖学金及香港科技大学卓越研究奖。随后入选香港政府创新科技基金博士后人才计划，于香港科技大学从事博士后研究；2023年6月加入香港中文大学（深圳）。张健全博士的主要研究领域为有机光电功能材料（光伏及发光方向）、材料聚集态结构以及电子过程、有机光电器件及生物医药应用等。迄今在化学/材料/能源领域期刊累计发表论文70篇，其中以第一或通讯作者（含共同）身份发表论文28篇，包括Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Joule, Energy Environ. Sci.等国际顶尖期刊，被引总计6000余次，h因子为39；其中13篇论文被评为ESI高被引论文，第一作者文章单篇最高引用超过800次；获美国专利授权1项。入选斯坦福大学2023全球前2%顶尖科学家榜单（纳米科学与技术）。
邹昕卉，本科毕业于浙江大学化学系，博士毕业于香港科技大学化学系，导师为颜河教授。随后于香港科技大学物理系从事博士后研究，导师为Kam Sing Wong教授。主要研究方向为有机太阳能电池器件中的光物理过程。截至目前，以第一(含共同一作)身份在Nat. Commun., Joule, Adv. Funct. Mater., Solar RRL, J Phy. Chem. C等期刊上发表学术论文多篇。
孙艳明，北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师。2002年本科毕业于山东大学化学学院，2007年在中国科学院化学研究所物理化学专业获博士学位，之后分别在英国曼彻斯特大学和美国加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究，2013年9月全职回北京航空航天大学工作。长期从事有机光电功能材料与器件的研究工作，提出了纤维网络调控有机太阳能电池活性层相分离的新策略。在Nature Energy, Nature Mater., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等杂志上发表SCI 论文180余篇, 论文被Nature，Science等杂志他引18000余次，多篇论文引用超过1000次。2018年度获批国家杰出青年科学基金, 2019-2022年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。
颜河，香港科技大学讲席教授，2000年获北京大学理学学士学位，2004年获美国西北大学博士学位。2012年之前，在Polyera Corporation度过了大部分的研究生涯。现为香港科技大学化学系教授、香港科技大学能源研究所副所长及华南理工大学兼职教授。主要研究兴趣集中在有机半导体材料和钙钛矿太阳能电池，颜河教授多次打破有机太阳能电池的世界纪录。其研究成果在2015年被美国国家可再生能源实验室收录进著名的"best research-cell eficiency chart"世界纪录表。香港科技大学也成为40年来中国第一个有幸录入“ best research-cell eficiency chart"的高校。2014年的Nature Communications和2016年的Nature Energy两篇论文被引用超过2200和1200次，均是该期刊2014年以来引用最高的论文。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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