國家納米中心在大面積有機光伏器件制備的成膜動力學研究中獲進展

　　【儀表網 研發快訊】制備高性能的大面積有機光伏器件，是推動有機光伏走向產業化所必須解決的難題。目前，實驗室制備的小面積有機光伏器件光電轉換效率已接近20%，但囿于未有清晰成熟的成膜動力學指導，有機光伏器件在放大組件面積時面臨著效率損失問題。
 

　　在前期研究中，中國科學院國家納米科學中心研究員魏志祥和張建齊等發現，在大面積有機光伏器件的制備過程中，微小的分子結構變化導致劇烈的成膜過程變化。研究顯示，在含鹵溶劑氯仿中能夠取得相似光電轉化效率(~18%)的兩個非富勒烯受體Qx-1和Qx-2，在鄰二甲苯中卻有巨大的反差(13.7 % 與0.65%)，而兩個分子在成膜的結晶時間上存在顯著差異。
 

　　為了探究分子結構在大面積有機光伏器件制備的成膜動力學中的影響，該團隊選擇了三個烷基鏈存在細微區別的Y系列同系物分子(Y6、N3、L8-BO)與PM6共混，采用狹縫涂布法制備大面積有機光伏器件。該工作采用原位吸收光譜、原子力顯微鏡及掠入射廣角X射線散射，并結合分子動力學模擬的結果解析成膜動力學機制。原位光譜表征表明三種結構相似的受體分子在成膜時吸收光譜演化趨勢存在顯著差異，呈現出“生長”和“移動”的二元模式(圖1)。后續的多尺度結構分析表明，三種不同的分子呈現出不同的聚集形態特征，且分子堆積模式存在明顯區別。從分子動力學中提取出的星型三聚體及其進一步組裝形成的聚集體，其特征能夠同時體現“生長”模式的吸收光譜演化以及符合掠入射廣角X射線散射結果。基于以上實驗和模擬結果，該研究提出了聚集控制的大面積有機光伏器件制備成膜動力學(圖2)。動力學模型提出，分子烷基鏈與主骨架相互競爭導致分子聚集類型的變化，進而逐層級地決定有機光伏器件的活性層形貌及器件性能。聚集態的分布由分子結構本征決定，但可通過濃度、溶液溫度和給體-受體分子的相互作用進行調制，為有機光伏材料的分子設計及加工工藝調整提供了重要參考。
 

　　相關研究成果以Concretized structural evolution supported assembly-controlled film-forming kinetics in slot-die coated organic photovoltaics為題，發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項的支持。
 

　　圖1. 原位光譜表征結果。(a-c)原位光譜瀑布圖；(d-f)光譜疊圖；(g-i)生長-移動模型擬合光譜演化結果。
 

圖2. 聚集控制的大面積有機光伏器件制備的成膜動力學圖解