全聚合物太陽(yáng)能電池具有優(yōu)異柔韌性、溶液加工性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在可穿戴、可拉伸設(shè)備的輕量、大面積印刷應(yīng)用方面具有廣闊前景。活性層形貌優(yōu)化特別是調(diào)控給體結(jié)晶與相分離是其關(guān)鍵，但溶劑蒸汽退火等后處理過(guò)程的實(shí)時(shí)形貌演變機(jī)制尚不清晰。
 

　　中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員楊春明等，基于上海光源小角散射線站，建立了有機(jī)太陽(yáng)能電池原位掠入射X射線散射研究平臺(tái)。科研人員利用同步輻射掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)和原位紫外-可見(jiàn)光譜?(UV-vis)，結(jié)合掠入射小角X射線散射技術(shù)(GISAXS)，實(shí)時(shí)追蹤了刮涂法制備的PM6: PY-IT全聚合物電池活性層在溶劑蒸汽退火過(guò)程中的動(dòng)態(tài)形貌變化，揭示了溶劑蒸汽退火調(diào)控全聚合物共混薄膜形態(tài)的溶脹-再結(jié)晶-重排三階段機(jī)制及其與性能的關(guān)聯(lián)。
 

　　UV-vis結(jié)果顯示，在飽和蒸氣壓高、溶解度低的非極性溶劑二硫化碳蒸汽作用下，PY-IT吸收峰出現(xiàn)紅移；而在飽和蒸氣壓低、溶解度高的極性溶劑氯仿(CF)蒸汽作用下，該峰則出現(xiàn)藍(lán)移。這表明，極性溶劑對(duì)聚合物受體(PY-IT)的影響更顯著，誘導(dǎo)其分子鏈構(gòu)象變化，形成更致密的空穴傳輸層，從而提升空穴傳輸效率。GIWAXS分析確認(rèn)，溶劑蒸汽退火過(guò)程包含溶劑溶脹、再結(jié)晶和分子重排三個(gè)特征階段。適度的溶劑蒸汽退火時(shí)間有助于穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出晶格間距減小、載流子遷移率增加以及相分離尺寸優(yōu)化，能夠提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率。研究顯示，過(guò)度的溶劑蒸汽退火可能導(dǎo)致分子重排階段晶體重新膨脹，不利于性能提升，但熱退火(TA)預(yù)處理可抑制這種不良膨脹。進(jìn)一步，研究通過(guò)GISAXS，在介觀尺度水平上研究納米級(jí)相分離行為發(fā)現(xiàn)，TA+CF溶劑蒸汽退火組合處理的薄膜展現(xiàn)出最優(yōu)的形貌特征，包括最大的給體相干長(zhǎng)度、最大的受體聚集相尺寸、最高的受體分形維數(shù)及最大的受體相干長(zhǎng)度。熱退火預(yù)處理誘導(dǎo)的PY-IT聚集體尺寸增大，是實(shí)現(xiàn)適度結(jié)晶度和理想相分離的關(guān)鍵，有助于促進(jìn)電荷分離與傳輸。
 

　　上述研究闡明了極性溶劑溶劑蒸汽退火主要優(yōu)化分子堆積，而非極性溶劑溶劑蒸汽退火更傾向于促進(jìn)相分離，這為高性能刮涂器件提供了工藝-材料協(xié)同優(yōu)化策略。同時(shí)，這一成果為后續(xù)探索多溶劑協(xié)同退火、動(dòng)態(tài)過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控以及發(fā)展環(huán)境友好的綠色工藝奠定了基礎(chǔ)，有望推動(dòng)大面積柔性全聚合物太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。該工作由上海高研院、太原科技大學(xué)和香港理工大學(xué)合作完成。
 

　　刮涂全聚合物太陽(yáng)能電池溶劑蒸汽退火過(guò)程中(a)原位GIWAXS和UV-vis同時(shí)測(cè)量示意圖，(b)采用不同溶劑蒸汽退火處理的微觀形貌演變示意圖。