突破溶剂限制！林雪平大学高峰/苏大李耀文/吉大王同辉，新发Nature Energy！

有机太阳能电池（OSCs）因其轻质、容易制造和色彩可调等特点，成为下一代光伏技术的有力竞争者。近年来，OSCs 的能量转换效率已超过20%，其中活性层形貌的优化起到了关键作用。通过调整供体和受体材料的选择、扩展吸收光谱以及优化电子态能级，大幅提高了器件的电荷传输和分离效率。然而，现有研究中，形貌优化通常依赖特定溶剂体系，限制了OSCs的规模化生产和环境友好性应用。特别是在实现高效形貌控制的同时，探索适用于多种溶剂的设计策略，是提升OSCs实际应用潜力的关键难题。

基于此，瑞典林雪平大学高峰教授、吉林大学王同辉教授、苏州大学李耀文教授等人合作提出了通过增强受体侧链与溶剂相互作用并减弱供体与受体相互作用的形貌控制策略，实现了有机太阳能电池在多种溶剂中的高效稳定表现。该研究以“Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control”为题，发表在《Nature Energy》期刊上。

1. 优异的溶剂适应性：研究首次实现了有机太阳能电池（OSCs）在多种溶剂（包括氯化和非氯化溶剂）中的形貌一致性和高效性能，器件效率接近19%。

2. 创新的形貌控制策略：提出了增强受体侧链与溶剂相互作用并减弱供体与受体相互作用的形貌控制方法，通过设计新型非富勒烯受体BTP-TO2，确保薄膜在不同溶剂中的形貌稳定性。

3. 规模化制备中具备优异的稳定性：在大面积刀片涂布应用中，基于BTP-TO2的光伏模块在非氯化溶剂条件下实现了超过16%的效率，且器件在长时间运行中表现出优异的稳定性。

图1 化学结构、不同溶剂中的吸收光谱及Flory-Huggins相互作用参数的分子动力学计算

图1展示了新型非富勒烯受体BTP-TO2与对照受体BTP-TC8的化学结构、吸收光谱以及分子动力学模拟结果。在化学结构设计中，BTP-TO2引入了亲水性聚乙二醇（OEG）侧链，显著增强了其与溶剂的相互作用。

对比不同溶剂（氯仿、氯苯、甲苯和对二甲苯）中的吸收光谱表明，BTP-TO2和BTP-TC8在溶液状态下的吸收峰位置和形状基本一致，说明溶剂对分子自组装行为的影响有限。然而，从溶液到薄膜的转变过程中，BTP-TO2表现出更显著的吸收峰红移，显示其在薄膜形成中具有更稳定的分子堆积行为。

分子动力学模拟进一步揭示了溶剂相互作用的本质，BTP-TO2在所有溶剂中的Flory–Huggins χ值均低于BTP-TC8，表明其与溶剂分子的相互作用更强。这些结果表明，BTP-TO2的分子设计显著提高了其在不同溶剂中的形貌稳定性，为多溶剂适应性有机太阳能电池的实现奠定了基础。

图2  PM6:BTP-TC8 和 PM6:BTP-TO2混合溶液中的各组分间的相互作用

图2展示了供体材料PM6与受体材料BTP-TO2和BTP-TC8在不同溶剂中的分子间相互作用和聚集行为的对比研究。通过小角中子散射（SANS）实验，观察到PM6混合体系在不同溶剂中的分子链呈现柔性柱状结构，其分形维数表明其分子构象在溶剂中具有高度稳定性。而在PM6混合体系中，分子构象随溶剂变化显著，反映出其溶剂敏感性更高。

此外，核磁共振（2D ¹H-¹H NOESY NMR）结果显示，BTP-TO2与PM6的分子间相互作用较弱，而BTP-TC8与PM6的分子间相互作用较强，这种差异导致了溶液状态下的形貌差异。具体来说，BTP-TO2分子因侧链与溶剂的强相互作用保持稳定的分子构象，从而避免了与PM6供体分子的强相互作用，而BTP-TC8则因溶剂作用较弱，表现出更明显的聚集行为。

图3  通过OEG侧链与溶剂的强相互作用控制的刚性分子构象示意图

图3通过示意图和分子动力学模拟，揭示了溶剂对BTP-TO2和BTP-TC8分子构象及供体-受体相互作用的显著影响。BTP-TO2的OEG侧链与溶剂分子之间的强相互作用，使其分子构象在不同溶剂中保持一致且稳定，侧链始终呈线性伸展状态，减少了分子内和分子间的扭曲及缠绕现象。相比之下，BTP-TC8的分支状烷基侧链与溶剂分子之间的相互作用较弱，其构象随溶剂变化显著，表现出明显的聚集倾向。此外，BTP-TO2与PM6供体的分子间相互作用较弱，有助于形成规则的混合物形貌，而BTP-TC8与PM6之间的相互作用更强，容易引发分子间缠绕和不均匀的形貌分布。

图4  从溶液到薄膜的组分沉积动力学及混合薄膜的晶体特性

图4展示了PM6从溶液到薄膜的沉积动力学及最终薄膜的晶体结构差异。通过原位GIWAXS分析，观察到PM6在溶剂蒸发过程中，供体PM6以更快的沉积速率形成主导性骨架，而BTP-TO2则填充在间隙中，保持其稳定的构象和堆积行为，从而形成均匀的薄膜结构。而在PM6体系中，受体BTP-TC8的沉积顺序对溶剂极为敏感，不同溶剂会导致不均匀的分子堆积和显著的形貌差异。静态GIWAXS结果进一步表明，PM6的晶体结构对溶剂变化不敏感，其晶格参数和晶体域大小在不同溶剂中波动较小；相对而言，PM6的晶体结构则显著依赖于溶剂蒸发动力学，表现出较大的晶体域波动。

图5 器件的光伏性能

图5展示了基于BTP-TO2和BTP-TC8的有机太阳能电池在不同溶剂条件下的性能表现及大面积模块化应用潜力。对于小面积器件，BTP-TO2基混合体系在氯化和非氯化溶剂中均表现出接近19%的高能量转换效率，器件性能在不同溶剂间波动小于2%。相比之下，BTP-TC8基器件对溶剂高度敏感，效率随溶剂变化显著降低，非氯化溶剂中的效率不足15%。

此外，基于BTP-TO2的光伏模块（15.03 cm²）在非氯化溶剂中实现了超过16%的效率，显著优于BTP-TC8模块在相同条件下的性能（低于14%）。统计分析显示，BTP-TO2体系的高效表现得益于其稳定的形貌控制策略，确保了薄膜结构和器件性能在不同溶剂中的一致性。这一成果展示了BTP-TO2在绿色溶剂加工中的显著优势，为大面积高性能有机太阳能电池的商业化应用提供了技术支持。

本研究通过设计新型非富勒烯受体BTP-TO2，提出了增强受体侧链与溶剂相互作用并减弱供体与受体相互作用的形貌控制策略，成功实现了有机太阳能电池在多种溶剂中的高性能表现。BTP-TO2在不同溶剂中的溶液和薄膜形貌表现出优异的稳定性，使得器件能量转换效率接近19%，且在非氯化绿色溶剂中依然具有一致性和高稳定性。这一成果不仅克服了传统OSCs对特定溶剂的依赖，为环保溶剂加工提供了技术基础，还展示了其在大面积光伏模块中的应用潜力。

Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control. Nature Energy