摘要：近日，瑞典林雪平大学高峰教授团队联合中国及美国的多家科研机构，提出了一种全新的形貌设计原则，为有机太阳能电池的新型材料设计和器件无毒化加工提供了通用解决方案。这项研究成果发表在Nature Energy期刊上，第一作者为林雪平大学张睿博士。

近日，瑞典林雪平大学高峰教授团队联合中国及美国的多家科研机构，提出了一种全新的形貌设计原则，为有机太阳能电池的新型材料设计和器件无毒化加工提供了通用解决方案。这项研究成果发表在Nature Energy期刊上，第一作者为林雪平大学张睿博士。

过去五十多年来，伴随着有机半导体材料和理论的迅猛发展，基于有机电子学的功能性光电器件，例如有机太阳能电池（OSCs）、有机发光二极管（OLEDs）和有机光电探测器（OPDs）等，展现了巨大的潜力。这些技术以其轻量化、柔性和低成本的优势，为制造大面积柔性器件提供了可能。然而，在多组分溶液加工过程中，如何精准控制溶剂快速干燥过程中多层次微结构和形貌的形成，成为限制这些器件深入理论认识和商业化应用的主要瓶颈。

材料与形貌：从原创性研究到全球突破

有机太阳能电池的性能提升离不开材料设计的持续创新。过去三十年间，中国科学家及学者们在有机共轭高分子和非富勒烯小分子的设计与合成方面实现了全球「遥遥领先」，取得了一系列原创性突破。尤其是近几年非富勒烯受体材料的出现，使有机太阳能电池的光电转换效率从最初的5%跃升至如今的20%以上。这些材料设计的成功为形貌学研究提供了丰富的「材料图书馆」，奠定了坚实的实验基础。

与此同时，大量研究致力于建立材料设计与形貌调控的通用性准则。通过拓宽吸收光谱、调控相关电子态的能量以及优化电荷传输等有效策略，材料特性与器件性能之间的联系得到了显著改善。然而，理解微结构纳米形貌与器件性能之间的关系仍然具有挑战性，因为这涉及电子供体与受体之间发生的超快电荷转移与复合过程。为了提升诸如激子扩散、电荷分离、电荷复合、电荷传输和电荷提取等物理过程的效率，研究者们开发了一系列形貌操控策略和技术， 如添加剂，后热/溶剂退火，层叠式沉积，伪双层结构，三元组分等策略。

图1 | 溶液中子散射探测分子构象，溶液二维核磁光谱表征组分相互作用力。

形貌控制的科学新视角

「选择合适的溶剂需要全面理解整个太阳能电池的制造过程。这包括了解溶液的初始结构、观察蒸发过程中的动态变化，以及检查太阳能电池薄膜的最终结构」林雪平大学物理、化学与生物系的研究员、论文第一作者张睿博士表示。

图2 | 稳态&原位2D GIWAXS监测组分结晶动力学。

研究团队通过同步辐射X射线散射、吸收，中子散射等先进技术，并结合分子动力学等理论计算，详细绘制了供体受体材料与各种不同溶剂之间的分子相互作用及溶液中多种分子构象行为图谱。这套形貌控制原则适用于多种溶剂，包括环境友好型绿色溶剂，并最终制备出系列溶剂非敏感型有机太阳能器件。这一结果为未来新型材料的研发和有机太阳能电池的大面积加工提供新视角。

图3 | 不同溶剂体系器件光电转换效率。

前景展望

未来几年，基于溶液加工型功能器件微观形貌学和纳米结构研究仍将迎来黄金发展期。基于大科学装置的新型表征技术和方法学创新集成，将持续助力新材料的开发和应用。借助本次研究提出的有机太阳能电池形貌设计原则，我们期待在有机发光二极管，有机探测器，有机/无机杂化器件等其他领域取得扩展性认识和突破性进展。

参考链接：

Zhang, R., Chen, H., Wang, T. et al. Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control. Nat Energy (2024).

作者简介

张睿，博士毕业于中科院长春应化所（导师: 韩艳春研究员），先后在瑞典林雪平大学 （合作导师: 高峰教授），美国劳伦斯-伯克利国家实验室 （合作导师: Chenhui Zhu教授）开展博士后研究工作。长期致力于聚合物结晶、薄膜微纳结构调控机理和同步辐射X射线/中子相关表征方法学开发应用。相关工作在Nature Energy, Nature Photonics, Nature Materials, Adavanced Materials等期刊共计发表70余篇。

高峰, 瑞典林雪平大学教授。2004年和2007年分别获得南京大学物理系学士和硕士学位，2011年获得剑桥大学卡文迪许实验室博士学位，随后加入瑞典林雪平大学，先后任职玛丽居里博后研究员（2013年）、助理教授（2015年）、副教授（2017年）、教授（2020年）。高峰教授的研究方向为可溶液加工的光电器件及机理，主要基于有机和钙钛矿半导体材料，相关工作作为通讯作者发表在Science, Nature, Nature Materials, Nature Photonics, Nature Energy, Nature Electronics等杂志。曾获得瑞典战略研究基金会Future Research Leader、瑞典瓦伦堡基金Wallenberg Academy Fellow等荣誉，以及欧洲研究理事会ERC Starting Grant、ERC Consolidate Grant的资助。2020年因在太阳能电池和发光二极管领域的机理研究获得瑞典皇家科学院颁发的Tage Erlander Prize。2020-2025年作为首席科学家主持瑞典瓦伦堡基金的重点前沿项目。

--今日新材料

来源：Future远见