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西工大刘剑刚教授团队 AFM：揭示准平面异质结全聚合物光伏电池形貌演变机制

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-20 11:50

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准平面异质结 (PPHJ) 结构的有机光伏（ OPV ）电池是通过将给体和受体材料使用相同溶剂或者不同溶剂分别溶解并逐层沉积成膜。基于 PPHJ 的活性层结构可有效减少共混相的含量，增加分子有序度，并平衡给受体的结晶，从而形成有利于电荷传输和收集的垂直结构。因此，通过顺序沉积法构建 PPHJ 结构的活性层已成为提升 OPV 电池性能的重要策略。然而，在 PPHJ 成膜过程中，结晶及相分离动力学行为与形貌密切相关，但二者之间的关联尚不明确，当前主要依赖试错法进行形貌优化，效率低下。因此，深入研究 PPHJ 结构的成膜动力学，能够为后续进一步优化形貌提供理论指导，为构建有机光伏电池的结构 - 形貌 - 性能间的构效关系奠定基础。

针对上述问题， 西北工业大学刘剑刚教授团队 以 PM6 和 PY-DT 体系为模型，将理论计算、原位光谱与形貌表征相结合，通过与体相异质结（ BHJ ）成膜过程对比，揭示了 PPHJ 的成膜特点，并建立了 PPHJ 成膜过程与活性层形貌间的关联，如示意图 1 所示。结果表明，在热力学方面， PPHJ 成膜过程中可有效抑制给体与受体的范德瓦尔斯作用力，增加 PM6 分子结晶度，并促进给受体结晶度匹配。在动力学方面， PPHJ 成膜过程中给受体分子结晶速率更快、持续时间更长，利于形成高结晶度且结晶平衡的纳米互穿网络结构。此外， BHJ 成膜为相分离诱导结晶，导致共混相含量高、相区尺寸小；而 PPHJ 成膜为结晶诱导相分离，共混相含量低、相区尺寸大。同时， PPHJ 形成过程中 PM6 层仅部分溶胀，抑制了 PY-DT 向 PM6 薄膜底部扩散，利于垂直相分离结构形成。最终，通过优化 PPHJ 成膜过程，获得了利于光电转换的活性层形貌，实现了 18.08% 的 PCE 。这是迄今为止报道的基于 PPHJ 结构的二元全聚合物 OPV 的最高 PCE 。

示意图 1.BHJ 和 PPHJ 结构的成膜动力学过程。

图 1. （ A 、 D ） AFM 高度图；（ B ， E ）相区尺寸分布直方图；（ C ， F ） PM6:PY-DT 和 PM6/PY-DT 薄膜的 TEM 图像；具有不同结构的（ G ， J ） N 1s 和（ H ， K ） F 1s 的 DXPS 图案，（ I 、 L ） PM6 和 PY-DT 的含量分布图。

图 2. （ A-D ）纯膜和共混膜的二维 GIWAXS 图像；（ E ） PM6:PY-DT 和（ F ） PM6/PY-DT 薄膜的实验和计算紫外 - 可见吸收光谱；（ G ）不同结构的结晶度；（ H ） PM6:PY-DT 和 PM6/PY-DT 薄膜的 E _u 值； BHJ 薄膜中（ I ） PM6 和（ J ） PY-DT 的拉曼光谱图； PPHJ 薄膜中（ L ） PM6 和（ M ） PY-DT 的拉曼光谱图，（ K 和 N ）分布图像基于给体相、受体相和共混相（蓝色表示给体相，红色表示受体相，黄色表示共混相）；（ O ） 532nm 激光激发下纯膜和共混膜的拉曼光谱。

图 3. （ A ）在最低能量稳态下通过 DFT 模拟优化的分子间堆积图；（ B ） PM6:PM6 、 PM6:PY-DT 和 PY-DT:PY-DT 的相互作用的俯视图和侧视图；（ C ） PM6:PM6 、 PM6:PY-DT 和 PY-DT:PY-DT 的 RDG 函数；（ D ） FN:PM6 和 FN:PY-DT 的相互作用的俯视图和侧视图。

图 4. （ A 、 C ）不同结构的原位吸收光谱的等值线图；（ B 、 D ） PM6 和 PY-DT 的峰值强度演变；（ E 、 F ） PM6:PY-DT 和 PM6/PY-DT 薄膜中的 PM6 和（ G ， H ） PY-DT Avrami 拟合结果；（ I 、 K ）激发波长为 465nm 的原位 PL 光谱的等值线图。（ J 、 L ） PL 积分强度的演变曲线。

图 5. （ A ）器件结构；（ B ） J-V 曲线；（

西工大刘剑刚教授团队 AFM：揭示准平面异质结全聚合物光伏电池形貌演变机制

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