李刚团队Nat.Commun.:梯度体异质结实现效率17%的二元有机太阳能电池

李刚团队在《Nature Communications》发表的研究通过梯度体异质结（G-BHJ）策略，利用非卤化溶剂顺序沉积制备了效率达17%的二元有机太阳能电池（OSCs），并展示了其在环保和规模化制造中的潜力。 以下是具体内容：研究背景与挑战体异质结（BHJ）有机太阳能电池因溶液加工技术可制造柔性器件而备受关注，但传统BHJ存在以下问题：相分离调控困难：给受体共混物的形态演变复杂，需平衡处理条件（如溶剂、退火等），相分离与相纯度的平衡极具挑战性。溶剂选择受限：BHJ性能依赖相分离，但非卤化低毒溶剂处理的器件效率仍落后于卤化溶剂（如氯苯）。活性层厚度限制：BHJ膜增厚时，电荷传输路径受阻，填充因子（FF）下降，导致性能降低。规模化涂层工艺复杂：叶片涂层中，给受体共混物的缓慢干燥导致结晶行为和混合动力学差异，影响器件性能。图1:材料结构、光电特性和垂直成分分布研究方法与突破李刚团队提出梯度体异质结（G-BHJ）策略，通过顺序沉积（SD）方法分别优化给体和受体层，同时保持材料结晶度。具体创新点如下：非卤化溶剂顺序沉积：采用邻二甲苯（XY）和氯仿（CF）两种非卤化溶剂，制备了高效G-BHJ薄膜。梯度组成与结晶度分布：阴极侧：聚合物较少，结晶度较弱。阳极侧：聚合物较多，结晶度较强。性能优化：旋涂器件：CF和XY处理的最佳G-BHJ OSCs分别获得17.54%和17.48%的光电转换效率（PCE）。叶片涂层器件：在空气氛围下达到16.77%的效率（VOC=0.836 V，JSC=26.26 mA cm?2，FF=0.764），为非卤化溶剂处理的二元OSCs最高值之一。厚度适应性：活性层厚度在120-500 nm范围内变化时，G-BHJ OSCs仍能保持超过14%的PCE。图2:相关器件的光伏性能关键技术优势环保性：使用非卤化溶剂（XY和CF），减少对环境的危害。规模化潜力：叶片涂层技术适用于卷对卷制造，且G-BHJ策略缓解了传统BHJ在叶片涂层中的过度聚集和不利相分离问题。性能稳定性：梯度组成设计优化了电荷分离和传输，提高了器件对活性层厚度的适应性。研究意义该工作不仅为高效、环保的OSCs提供了新策略，还通过实验验证了G-BHJ在规模化制造中的可行性。相关成果发表于《Nature Communications》，题为“Graded bulk-heterojunction enables 17% binary organic solar cells via nonhalogenated open air coating”，为有机光伏领域的技术发展提供了重要指导。图3:装置性能和原位吸收特性