近期，北京理工大学化学与化工学院本科生杨楚宬和博士生蒋梦云以共同一作身份在国际顶级期刊《 Advanced Materials 》（IF: 29.4）上发表题目为“Hot-casting strategy empowers high-boiling solvent-processed organic solar cells with over 18.5% efficiency”的研究论文。北京理工大学为第一通讯单位，安桥石特别研究员、王金亮教授和北京交通大学张福俊教授为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金，北京市自然科学基金和北京理工大学青年教师学术启动计划等项目的资助及北京理工大学分析测试中心的支持。
图1. (a) PM6, BO-4Cl分子式。(b) PM6, BO-4Cl, 界面层和电极的能级示意图。(c) 不同工艺有源层制备示意图。(d) PM6, (e) BO-4Cl和(f) PM6:BO-4Cl溶液的变温吸收光谱。
有机光伏电池作为一种绿色的光电转化技术，具有质量轻、柔性、半透明、可大面积制备等独特的优势，有望弥补光伏市场在半透明及柔性器件方面的缺位。当前，大多数高效率器件均是基于低沸点卤化溶剂氯仿（沸点：~ 61 ℃）制备的，很大程度上限制了器件制备过程中的可操作空间，不仅不利于器件生产的稳定性，还会在未来大规模生产中增加风险和成本。因此，探究如何利用具有宽加工窗口的高沸点溶剂构筑高效有机光伏电池至关重要。针对上述问题，考虑到氯仿在有机光伏电池中的良好表现及溶剂沸点、汉森溶解度常数、饱和蒸汽压等因素，该团队提出利用热铸策略，利用高沸点溶剂模拟以氯仿为溶剂时有源层的成膜动力学过程以制备高效器件。该研究分别采用高沸点溶剂氯苯（沸点：~ 132 ℃）和邻二甲苯（沸点：~ 145 ℃）为主体溶剂，基于PM6:BO-4Cl与PM6:BTP-eC9明星体系（图1）进行探究，首次阐明了热铸策略对有机光伏电池性能的影响机制。
图2. 不同处理工艺有源层内给受体材料的垂直分布。
两种工艺的成膜动力学及所得有源层形貌有明显差异。相比于室温制膜，热铸策略使成膜时给受体分子更快速且同步地自组装，从而优化了有源层内给体/受体的比例、有源层的表面形貌及体形貌，改善了器件的激子和载流子动力学过程，最终显著提高了器件的效率（图2、图3）。因此，基于PM6:BO-4Cl体系，基于两种高沸点溶剂的最优效率分别可以达到18.03%和18.12%；而PM6:BTP-eC9热铸器件的最优效率分别为18.34%和18.52%，均明显高于常温溶剂制备的器件，并创造了该类器件的效率纪录。综上，该工作展示了一种调控有源层内分子分布与堆积的简单策略，有助于深入理解共混膜的形貌演变过程和构建高效率具有宽加工窗口的有机光伏电池。
图3. 不同处理工艺有源层的成膜动力学过程
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202305356。
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