实验室段春晖教授团队：成核驱动力调控纤维网络使非卤溶剂加工的聚噻吩太阳电池效率突破18%

聚噻吩具有结构简单、合成成本低等优势，是最有希望大规模生产的有机太阳电池给体材料，但其能量转换效率受限于活性层形貌优化难题。传统的分子改进策略虽部分提升了效率，但增加了材料复杂性和成本。如何通过形貌调控实现高效的聚噻吩太阳电池是推动其产业化的关键挑战。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的段春晖教授团队基于经典成核理论，通过溶剂选择调控聚噻吩的溶解度优化成核驱动力，成功使用非卤化溶剂甲苯在光活性层中构建了精细的纤维网络形貌。该策略使基于无卤聚噻吩P5TCN-HD的器件效率提升至18.12%，创下聚噻吩太阳电池的效率新纪录，为低成本、环境友好型有机太阳电池的工业化提供了新思路。

经典成核理论指出，晶核形成过程及晶体特征尺寸取决于成核驱动力与表面张力，二者均受溶剂溶解能力调控。聚噻吩P5TCN-HD在常用卤代溶剂氯仿中的高溶解度（成核驱动力不足）会导致给受体的过度混溶。同时，由于氯仿挥发性强，成膜速度快，这导致溶液中的过度混溶状态保持至薄膜中，从而造成过小的相分离尺度，引起严重的电荷复合，限制了器件效率。

图1 （a）聚噻吩P5T2CN-HD的结构式以及所选用的溶剂；（b）根据经典成核理论，ΔG*和纤维半径R的关系图；（c）P5TCN-HD在不同溶剂中的溶解度。（d）P5TCN-HD在不同溶剂中和（e）用不同溶剂加工成的薄膜的归一化吸收光谱。不同溶剂加工的薄膜的（f）TEM和（g）AFM图像

低挥发性卤代溶剂氯苯对P5TCN-HD的高溶解性也造成成核驱动力不足，但高沸点造成更长的薄膜干燥时间让P5TCN-HD有更长的纤维生长时间，最终形成了过大的相分离和松散的纤维结构。极性溶剂四氢呋喃和甲基四氢呋喃由于对受体的低溶解度会导致受体的过度结晶。相比之下，低溶解度的非卤溶剂甲苯和邻二甲苯增强了P5TCN-HD的成核驱动力并具有合适的成核时间，从而促进了双连续纤维网络的形成。最终，基于甲苯溶剂加工的P5TCN-HD:eC9-2Cl二元器件实现了17.10%的能量转换效率，P5TCN-HD:eC9-2Cl:L8-BO-F三元器件实现了18.12%的效率和79.17%的填充因子，创造了聚噻吩太阳电池的效率以及填充因子新纪录。本研究揭示了溶剂溶解性对成膜过程与形貌演化的关键调控作用，为聚噻吩基器件的优化提供了重要理论依据。

图2 （a）器件的J-V 曲线、（b）EQE光谱和积分电流密度JcalEQE；(c)文献报道的基于聚噻吩的OSC的PCE和FF（d） P5TCN-HD、P5TCN-F25、P3HT、PM6和D18的 PCE和合成复杂度（SC）

相关研究成果以“Nucleationdriving force-controlled fibril network formation enables polythiophene solarcells with exceeding 18% efficiency from non-halogenated solvent”为题发表在Energy & Environmental Science上。其中通讯作者为华南理工大学段春晖教授、博士后袁熙越以及华南师范大学章勇教授，第一作者为华南师范大学交流硕士生李疆龙、华南理工大学博士生谢东生和博士后袁熙越。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省创新团队科研计划等科研项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE06158F