天津大学叶龙教授团队：同时提升有机光伏效率和热稳定性的新策略

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发展稳定高效的太阳能电池是助力国家“双碳”战略、实现能源转型的有效途径。近年来有机太阳能电池（OSCs）的器件效率已得到显著提升，稳定性逐渐成为领域内亟需解决的重要问题。OSCs的器件效率和稳定性都与其活性层的多级组装结构紧密相关，因此，明确OSCs活性层的多级组装结构对调控和优化其光电性能至关重要（Aggregate, 2021, 2, e46; Aggregate, 2022, 3, e190）。

由于共轭聚合物在溶液中复杂的组装结构以及材料与溶剂之间的多种相互作用，表征和调控共轭聚合物及其共混体系的聚集结构仍是领域内的挑战性课题，而这强烈依赖于先进的科学装置结构表征技术。其中，具有深穿透性和同位素辨识等独特优势的小角中子散射（SANS），是迄今为止为数不多的能够精确解析聚合物溶液结构参数的技术之一。在SANS表征中，通常需要对聚合物材料进行氘代来提升实验对比度，而氘代共轭聚合物材料的制备过程繁琐且成本高昂。相较而言，使用氘代有机溶剂也能大幅提高SANS的实验对比度，是研究聚合物溶液结构的一种更为简便的方法（图1）。但是，有机光电器件活性层薄膜的制备只是使用未氘代的普通试剂，氘代溶剂的使用迄今鲜有报道。为构筑完整的溶液结构-薄膜结构-光电性能/稳定性的构效关系，首先需明确活性层材料在氘代溶剂和常规溶剂中的微结构及性能差异。

图1.  氘代有机溶剂能大幅提高共轭聚合物溶液的SANS实验对比度

针对上述问题，天津大学叶龙教授和高梦圆等人率先评估了氘代溶剂在有机光电器件的应用潜力，并阐明了这些加工溶剂在活性层聚集结构调控中的同位素效应。他们选取具有优异光伏性能的聚合物:非富勒烯共混体系为研究对象，有效结合了SANS、超快量热分析、掠入射X-射线散射、峰值力纳米力学定量分析和透射电子显微镜等多项技术全面研究了氘代溶剂和常规溶剂加工后的共轭聚合物及其共混体系的热学性质、分子堆积、相分离结构和OSCs的器件性能和热稳定性（图2）。研究结果表明氘代溶剂加工的薄膜具有更完善的结晶及有序的分子堆积，这将有利于电荷的有效传输并获得更稳定的形貌。

图2. PTVT-T分别在氯仿和氘代氯仿中的热性能、相行为表征及其共混体系的器件性能和热稳定性

为揭示这种同位素效应的本质原因，研究人员从高分子热力学出发分析了共轭聚合物及其共混体系在不同溶剂中微观形貌和宏观性能差异的原因。由于共轭聚合物与氘代溶剂较大的相互作用参数χ，增强了共轭聚合物的π-π堆积有序性及共混薄膜的相对结晶度，实现了薄膜形貌的优化、光伏性能及活性层形貌热稳定性的提升（见图3）。

图3. 氘代溶剂和常规溶剂加工的共混薄膜在热退火条件下的形貌演变

经多个聚合物:非富勒烯小分子共混体系（包括PTVT-T:BTP-eC9，PM6:N3，P3HT:O-IDTBR）、全聚合物共混体系（PM6:PYF-T-o）以及两组氘代/常规溶剂（CF-d/CF，DCB-d4/DCB）的验证，他们发现氘代溶剂加工的薄膜均形成更有序的分子堆积和更高的相对结晶度，使得优化器件光伏性能的同时实现了热稳定性的大幅提升（图4）。该项工作首次强调了加工溶剂在共轭聚合物体系微结构调控中的同位素效应，并提出一种制备高性能且热稳定的有机太阳能电池的普适性方法。

图4. 多个有机光伏共混体系及多组氘代/常规溶剂验证

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《聚集体（英文）》（Aggregate）创刊于2020年，是由华南理工大学、广东省大湾区华南理工大学聚集诱导发光高等研究院、Wiley 出版社三方合作创办的开放获取式英文学术期刊（双月刊）。本刊致力于报道出版“聚集”过程中的基础和应用研究的前沿科学，包括但不限于材料、化学、物理、生物以及应用工程等领域。聚集体科学研究范围广泛，单分子层次之上均可视为聚集体。特别是功能材料、化学、物理、生物技术、生命科学以及应用工程等领域的重要进展，为学术界搭建一个交流思想和意见的新平台，去分享聚集体研究的新发现和新突破，讨论聚集体研究的挑战和机遇。期刊于2023年获得首个影响因子18.8，JCI指数1.47，先后收录于DOAJ、ESCI、CAS等数据库。

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