第一作者：赵心碧

通讯作者：孙瑞、闵杰

单位：武汉大学

基于本体异质结（BHJ）结构的有机太阳能电池（OSCs）由于其固有的灵活性、低成本、溶液可加工性和半透明性等优点，获得了科研界和工业界的广泛关注。得益于材料设计、形貌控制、界面和器件工程的快速发展， 目前基于非富勒烯受体（NFA）的OSCs的能量转换效率（PCE）已经超过19%。许多活性层体系的器件运行稳定性得到了明显改善，同时一些具有低成本和高性能活性层体系也被报道，使得OSC的效率-稳定性-成本差距显著减小。

值得一提的是，除了效率、稳定性和合成成本，活性层材料体系的高速涂覆制备高性能器件的能力也决定了OSC技术前景，然而其活性层高速涂覆制备的研究鲜有报道。在前期的研究工作中，我们发现在高速涂覆下制备的BHJ型活性层展现出极大的效率损失，而采用逐层涂膜技术（LbL）高速涂覆制备活性层可以有效地保持其LbL型器件效率和稳定性（Nat. Energy, 2022. 7, 1087-1099），并证明了LbL技术具有良好的普适性。成本效益分析指出该涂覆技术可使得OSC制备成本降低10倍以上，使其千瓦时价格与硅相比具有竞争力（Science, 2022. 378, 589）。

上述工作是通过改变涂覆工艺解决了活性层高速制备的问题，那有没有可能不改变给受体共混涂覆工艺实现高性能活性层的高速且简单制备呢？

基于此，武汉大学闵杰教授在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“High-speed printing of a bulk-heterojunction architecture in organic solar cells films”的研究论文。该工作中，研究人员采用传统给受体共混（BHJ型）刮涂涂覆工艺，通过掺杂少量低分子量的PM6（PM6_L）实现了在保持活性层体系器件性能的同时活性层的高速涂覆制备。

相比之下，未掺杂的活性层体系在高速刮涂情况下会导致其固体相发生严重的相分离，从而导致器件性能急剧下降。这种聚合物给体自掺杂策略的普适性在另外三种基于PM6:NFAs体系中得到验证。另外，研究人员还研究了不同涂布速度下PM6_L掺杂对固体相微结构形成的影响。

图1（A）本工作中研究的活性层材料分子结构；（B）未掺杂和掺杂PM6_L的PM6:Y6活性层器件性能随刮涂速度的变化趋势。

在高速涂覆工艺下制备的掺杂PM6_L的BHJ型活性层，其器件效率为15.55%。这一数值远远高于未掺杂的活性层体系（效率为12.98%）。形态学特征表明PM6_L的掺杂更有利于保持明确的相分离尺寸和分子的有序聚集，物理机制调查表明掺杂的活性层形貌有利于载流子输运和提取，实现高速涂覆PM6:Y6体系的高效率。

为了进一步说明PM6_L掺杂对成膜过程中分子聚集行为的影响，研究人员采用原位光致发光光谱和紫外-可见吸收光谱技术来监测固体相成膜行为（图2）。研究结果发现高速涂覆时PM6_L的掺杂可以使PM6:Y6活性层成膜过程中的液态-固态转变阶段时间延长，这有利于分子的有序聚集并实现良好的光电转换过程。

图2. 未掺杂和掺杂少量PM6_L的PM6:Y6活性层体系的(A-F)原位荧光光谱变化谱图及处理数据和(G-L)原位吸收变化谱图及处理数据。

要点二：自掺杂策略的普适性论证与成本效益分析

为了探究PM6_L掺杂策略是否具有普适性，研究人员引入其他三种基于PM6的活性层体系（包括PM6:L8-BO、PM6:N3和PM6:BTP-2F-ThCl，图3A）,同时也制备了基于PM6:Y6活性层体系的大面积组件（图3B）。相关结果有力地证明了这种PM6_L简单掺杂策略实现高性能PM6基活性层体系高速制备的能力。

另外，如图3C所示，基于成本效率分析可知，这种掺杂策略可以有效地降低最低可持续价格（MSP），更加突显了这一简单掺杂策略的优势。值得一提的是，该工作是首次实现BHJ型活性层体系的高速度且高性能制备，加快了OSC技术从实验室到产业化的进程。

图3. （A）未掺杂和掺杂PM6_L的PM6:L8-BO、PM6:N3和PM6:BTP-2F-ThCl体系器件性能随刮涂速度的变化趋势；（B）不同涂覆速度下，未掺杂和掺杂PM6_L的PM6:Y6体系制备组件的J-V曲线；（C）未掺杂和掺杂PM6_L的PM6:Y6体系的MSP分析。

High-speed printing of a bulk-heterojunction architecture in organic solar cells films

Xinbi Zhao1, Rui Sun1*, Xiaohei Wu1, Meimei Zhang1, Yuan Gao1, Ji Wan1, Jie Min1*

武汉大学高等研究院教授，教育部“长江学者奖励计划”青年学者。2015年10月在埃尔兰根-纽伦堡获得博士学位，随后留组从事博士后研究；2017年1月加入武汉大学高等研究院。他的主要研究方向是有机太阳电池，致力于缩小有机光伏技术的效率-稳定性-成本差距；同时还探索光伏建筑一体化的新兴应用。

目前，他以通讯作者身份发表学术论文100余篇，包括Nat. Energy (1), Joule (8), Nat. Commun. (1), Adv. Mater. (6), Energy Environ. Sci. (6), Angew. Chem. Int. Ed. (2)等。论文引用12000余次，H-index 61，入选2022年度科睿唯安“全球高被引科学家”名单。更多信息请查看课题组网站：http://jie min.whu.edu.cn/。