自发铺展(Spontaneous Spreading, SS)工艺是一种基于溶液法的聚合物薄膜制备技术，利用了表面能较低的有机溶液滴在表面能较高的水面上时的主动扩散特性，为露天条件下制备有机光伏器件(OPV)提供了一种独特的溶液加工平台。然而，不适当的界面张力往往导致SS薄膜厚度分布差异和给受体相分离尺度较大，从而阻碍了高性能SS-OPV的开发。
针对这一挑战，西湖大学柳佃义课题组系统地研究了芳香族固体添加剂对SS工艺的影响，其中菲(phenanthrene，PAT)延长了湿膜的干燥时间，有效抑制了受体的过度聚集，提升了分子堆积有序性，同时优化了SS薄膜的相分离形态。在绿色溶剂邻二甲苯体系中，通过在活性层中加入PAT，在水面上形成了厚度均匀的SS-PM6:Y6薄膜，开发了一种用于制造SS-OPV的新型自发扩散成膜工艺。
图1 固体添加剂菲使PM6:Y6溶液在水面自发扩散成均匀薄膜，PCE从~8%提升至~16%。
文章亮点总结
1. 首次将固体添加剂引入SS工艺制备OPV，为该工艺优化提供了新思路。
2. 使用绿色环保的邻二甲苯作为溶剂，结合PAT添加剂实现了均匀且高质量的活性层薄膜制备，提升了SS工艺的绿色可持续性。
3. PAT改善了供体/受体在垂直方向上的均匀分布，并优化了相分离结构。作为一种可挥发添加剂，PAT可在温和的退火条件下去除(110 ℃，2 min)，从而进一步调控Y6分子堆积和器件性能。
4. 采用PM6:Y6:PC71BM:PAT体系制备的SS-OPVs器件实现了16.4%的光电转换效率，相比无添加剂的对照器件提升了近一倍。
图1. 固体添加剂的性质。(a) 化学结构;(b) 静电势(ESP)分布图;(c) 在水面自发铺展后的SS-PM6:Y6薄膜照片(培养皿直径65 mm);(d) 转移到基底上的SS-PM6:Y6薄膜照片(基底边长15 mm);(e) 含不同固体添加剂的邻二甲苯溶液的表面张力;(f) 固体添加剂薄膜的表面能，包括分散力分量 (γd) 和极性分量 (γp)。
图2. PAT对热稳定性与分子相互作用的影响。(a)热重曲线(TGA);(b) SS-PM6:Y6和SS-PM6:Y6:PAT薄膜在未经/经热退火(100 ℃, 2 min)处理下的FT-IR光谱;(c) 差示扫描量热(DSC)升温曲线;(d) O 1s，(e) N 1s，(f) S 2p 的XPS谱图;(g–h) SS薄膜的垂直相分布曲线;(i) SS薄膜的供体:受体(D:A)比例随深度的变化(深度值0代表水面侧，100代表空气侧)。
图3. 成膜动力学的原位表征。(a–b) PM6:Y6与PM6:Y6:PAT溶液在SS过程中随时间演化的吸收光谱;(c) Y6吸收峰随时间的变化;(d–e) 荧光光谱随时间的演化图;(f) 在790 nm处的荧光强度随时间变化曲线。
图4. SS-OPVs的器件性能。(a)器件结构示意图;(b) 不同PC71BM和PAT比例的器件J–V曲线;(c) 含PM6:Y6:PC71BM:PAT(0.8:1:0.1:0.9)薄膜的SS-OPV的外量子效率(EQE)光谱及积分光电流;不同PAT含量下 (d) 器件的J–V曲线、(e)活性层溶液的表面张力、(f) 薄膜水面侧的表面张力。
图5. 未加PAT与加PAT的SS-PM6:Y6:PC71BM薄膜形貌表征。(a) 2D GIWAXS图样;(b) 相应的1D径向积分曲线(面内与面外方向);(c) π-π堆叠间距和晶体相干长度(CCL);(d)薄膜的SEM图像;(e) 氮元素分布图;(f) AFM高度图;(g) AFM相位图。(比例尺200 nm
图6. 热退火对器件性能与光谱演化的影响。(a)在110 ℃下经不同退火时间处理后的器件J–V曲线;(b) VOC随退火时间的变化;(c) JSC随退火时间的变化;(d–e) 在110 ℃退火5 min过程中，含/不含PAT的SS-PM6:Y6:PC71BM薄膜的原位吸收光谱演化;(f) Y6吸收峰在退火过程中的演化趋势。
该研究成功开发了一种芳香族添加剂辅助的自发扩散工艺，通过调控溶液表面张力和成膜动力学，能够显著提升活性层薄膜的均匀性和OPV器件性能。研究成果以“Solid Additives for Spontaneously Spreading-Processed Organic Photovoltaics”为题，发表于《Advanced Science》上。博士生邓卉彤为该工作的第一作者，姜倩晴博士和柳佃义博士为通讯作者。这项工作得到了国家重点研发计划(编号:2022YFC3401800)、未来产业研究中心(WU2022C037和WU2023C016)、西湖大学-牧原联合研究院、浙江白马湖实验室和西湖教育基金会的资助。
H. Deng, Q. Jiang, and D. Liu, “Solid Additives for Spontaneously Spreading-Processed Organic Photovoltaics.” Adv. Sci. (2025): e12384.
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202512384
课题组负责人简介
柳佃义，西湖大学特聘研究员(独立PI)。柳佃义博士课题组主要从事光电材料与器件相关领域的研究，研究内容包括透明太阳能电池、人工生物叶片和可穿戴柔性电子等方面。至今已在Nat. Photonics、JACS、Joule、Science Advances等期刊上发表论文30余篇。2022年，创立中国第一家透明光伏公司--西湖光电，致力于推动透明光伏和有机光伏的产业化推广和应用。目前西湖光电研发的透明光伏组件效率和透光率均达到世界领先水平。2024年9月，西湖光电正式对外提供大面积OPV制样服务。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202508/29/50007320.html
