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有機(jī)太陽(yáng)能電池因?yàn)槠淙嵝浴①|(zhì)輕、可以溶液法加工等特點(diǎn)長(zhǎng)期以來受到廣泛的關(guān)注。得益于非富勒烯受體的快速發(fā)展，有機(jī)太陽(yáng)能電池單節(jié)效率已經(jīng)突破18%。然而目前高性能的器件大多通過實(shí)驗(yàn)室中小面積旋涂成膜制備得到，為了進(jìn)一步適應(yīng)商業(yè)化應(yīng)用的要求，發(fā)展大面積印刷加工技術(shù)迫在眉睫。狹縫擠出成膜結(jié)合卷對(duì)卷加工是最有望實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽(yáng)能電池大面積印刷的技術(shù)。不同于旋涂加工的溶劑快速蒸發(fā)成膜過程，加上剪切力的作用，印刷加工的成膜過程是個(gè)緩慢且復(fù)雜的過程，容易造成薄膜內(nèi)部的結(jié)晶和相分離尺寸過大，從而降低器件性能。因此，如何調(diào)控印刷加工過程的聚集/結(jié)晶動(dòng)力學(xué)獲得合適的結(jié)晶和相分離形貌是制備高性能印刷電池器件的關(guān)鍵。在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，通過印刷加工動(dòng)力學(xué)調(diào)控活性層形貌制備高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池的策略鮮有報(bào)道。

西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)馬偉課題組近期通過原位表征技術(shù)（原位膜厚表征，原位吸收光譜表征，原位廣角X射線散射表征）對(duì)印刷加工過程中薄膜的結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了詳細(xì)研究，通過平衡給受體的成膜聚集/結(jié)晶動(dòng)力學(xué)優(yōu)化形貌制備了高性能印刷有機(jī)太陽(yáng)能電池器件。課題組首先研究了刮涂這種實(shí)驗(yàn)室大面積印刷加工的原型工具的成膜過程形貌演變。研究發(fā)現(xiàn)，在刮涂制備PBDB-T:FOIC體系的器件時(shí)，受體FOIC的結(jié)晶性過強(qiáng)導(dǎo)致器件性能變差，通過先預(yù)沉積一層薄的PBDB-T:IT-M層，可以在加工PBDB-T:FOIC這一主體系時(shí)為給體PBDB-T的結(jié)晶提供大量聚合物晶核，同時(shí)抑制受體FOIC的結(jié)晶，使得給受體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)更平衡，從而獲得了最高11.9%的光電轉(zhuǎn)換效率（PBDB-T:FOIC體系為10.5%）。課題組進(jìn)一步對(duì)狹縫擠出成膜過程進(jìn)行了細(xì)致的表征，通過改變加工溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)狹縫擠出成膜加工動(dòng)力學(xué)過程的有效調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，在PM7:IT4F體系中，使用60oC溶液加工可以有效地平衡給受體的聚集速率，從而抑制了過大的相分離，促進(jìn)了激子的解離；而使用60oC基底加工可以有效平衡給受體的結(jié)晶形核和長(zhǎng)大速率，從而盡可能的提高結(jié)晶度，促進(jìn)了載流子的傳輸，最終獲得了13.2%的印刷器件效率。課題組將這一工藝-形貌-性能構(gòu)效關(guān)系應(yīng)用到高效的PM6:Y6體系，調(diào)節(jié)加工溫度在使用含鹵溶劑（氯苯）和綠色溶劑（二甲苯、三甲苯）加工時(shí)獲得相似的動(dòng)力學(xué)過程（給受體聚集/結(jié)晶動(dòng)力學(xué)平衡），從而獲得和旋涂加工相媲美的印刷器件效率，同時(shí)也是目前印刷加工二元有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的最高光電轉(zhuǎn)換效率（15.6%）。課題組關(guān)于印刷加工聚集/結(jié)晶動(dòng)力學(xué)調(diào)控以及印刷工藝-形貌-性能構(gòu)效關(guān)系的研究對(duì)今后有機(jī)太陽(yáng)能電池的大面積印刷加工有著重要指導(dǎo)意義。

相關(guān)研究發(fā)表在Adv. Energy Mater.（先進(jìn)能源材料），Energy&Environ. Sci.（能源環(huán)境科學(xué)）和Adv. Mater.（先進(jìn)材料）上。這三篇高水平論文的第一作者分別是博士生王藝林、林保均、趙恒。馬偉教授為三篇論文的通訊作者，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室均為第一單位。該研究得到了東華大學(xué)唐正教授，慕尼黑工業(yè)大學(xué)Peter Muller-Buschbaum教授的支持。該研究得到科技部重點(diǎn)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、西安交通大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)，德國(guó)電子加速器研究所（DESY）的支持。 

原標(biāo)題：西安交通大學(xué)科研人員在大面積印刷有機(jī)太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展