论文概览
面对有机太阳能电池（OSCs）产业化过程中从卤化溶剂向绿色溶剂转换的关键挑战，浙江大学陈红征教授团队通过分子设计创新，在明星聚合物给体PM6中引入20%氯化二噻唑（Tz2Cl）单元，成功开发出新型三元共聚物PM6-CITz20。该聚合物在绿色溶剂间二甲苯中的溶解度提升35%，更重要的是，Tz2Cl单元增大了给体与受体BTP-eC9之间的静电势差异，产生给受体静电吸引作用，延缓了成膜过程中的相分离与结晶过程，从而获得更优化的活性层形貌。基于PM6-CITz20:BTP-eC9的电池器件实现了19.04% 的光电转换效率（PCE），组件（19.44 cm²）效率也高达16.71%。该研究深入揭示了给受体相互作用调控成膜动力学与形貌的机制，为绿色溶剂加工高性能、可扩展OSCs提供了可行路径。研究成果以"Donor-Acceptor Interaction Optimized Film‐Forming Processes Lead to Efficient Organic Solar Cells and Modules Fabricated with Non-Halogenated Solvents"为题发表于Angewandte Chemie International Edition。
技术亮点
1. 分子设计创新：通过在PM6主链中引入20% Tz2Cl单元，打破结构规整性，提高在间二甲苯中的溶解度，抑制过度聚集。
2.给受体静电作用增强：Tz2Cl强吸电子效应增大与受体BTP-eC9的静电势差，产生静电吸引，延缓成膜过程，促进晶体有序生长。
3.成膜动力学调控：原位紫外-可见光谱显示PM6-CITz20:BTP-eC9混合体系成膜时间延长至12.3秒，是PM6:BTP-eC9体系的两倍，有利于形成更优的相分离形貌。
4.通用性与可扩展性：在不同绿色溶剂（甲苯、邻/对二甲苯）及与多种受体（Y6, L8-BO）搭配中均表现优异性能，并成功制备出高效组件。
研究意义
1推动绿色加工：为OSCs减少对卤化溶剂的依赖，迈向产业化提供了有效的材料解决方案。
2阐明作用机制：通过NMR、DFT计算等揭示了给受体静电吸引是调控成膜动力学的关键。
3兼顾效率与工艺：在获得高效率的同时，保持了传统旋涂工艺的简便性，避免了复杂的顺序沉积。
4可扩展性：成功制备大面积组件，验证了该策略在实际应用中的潜力。
深入精读
成膜动力学与相互作用机制：
研究采用原位紫外-可见光谱实时监测了活性层的成膜过程（图2）。发现PM6-CITz20:BTP-eC9混合体系的成膜时间（12.3 s）显著长于PM6:BTP-eC9体系（~6 s）。这归因于Tz2Cl引入带来的两方面好处：
溶解度提升：三元共聚降低结构规整性，溶解度提高35%，抑制了溶液中的过早聚集。
给受体相互作用增强：通过¹H NMR化学位移变化、2D NOESY NMR以及DFT计算静电势（ESP），证实Tz2Cl与BTP-eC9之间存在强烈的静电吸引（图3），这种作用力延缓了给受体在溶液中的分相和薄膜中的结晶过程，为形成更优化的相分离形貌提供了更长的时间窗口。
光伏性能与电荷动力学：
基于PM6-CITz20:BTP-eC9的电池器件获得了19.04% 的最高效率（VOC=0.846 V, JSC=27.96 mA cm⁻², FF=80.50%），显著优于基于PM6（18.33%）和PN-F（100% Tz2Cl单元, 7.78%）的器件（图4a，表1）。性能提升源于：
更高的JSC：EQE谱响应更高，积分电流与J-V测试一致（图4b）。
更高的FF：PM6-CITz20器件具有更平衡更高的载流子迁移率（μh/μe ≈ 1），以及更高的激子解离效率（96.6%）和电荷收集效率（85.8%）（图4c）。
抑制的复合：光强依赖性测试表明，PM6-CITz20器件双分子复合和陷阱辅助复合均得到有效抑制（图4d,e）。
活性层形貌与分子堆积：
AFM和PiFM表征显示（图5），PM6-CITz20:BTP-eC9薄膜具有双连续互穿网络结构和适中的相分离尺寸（RMS=1.54 nm），利于激子解离和电荷传输。而PN-F体系则出现过大的相区（RMS=2.55 nm），导致性能下降。GIWAXS结果表明（图5g-k），PM6-CITz20:BTP-eC9共混膜具有最强的face-on取向π-π堆积峰和最长的相干长度（CCL=18.7 Å），证明了延长的结晶时间有助于形成更大、更有序的晶体，从而提升电荷传输性能。
结论展望
本研究通过巧妙的分子设计，在PM6中引入部分Tz2Cl单元，成功合成了新型三元共聚物给体PM6-CITz20。该策略同时实现了在绿色溶剂中溶解度的提升和给受体相互作用的增强，从而优化了成膜动力学，最终获得了优异的相分离形貌和光伏性能。PM6-CITz20在多种绿色溶剂和与多种受体搭配时均表现出色，并成功应用于大面积组件，展现了良好的通用性与产业化前景。该工作强调了给受体相互作用在调控绿色溶剂加工OSCs活性层形貌中的关键作用，为未来高性能、环境友好型OSCs的分子设计与工艺开发提供了重要借鉴。
文献来源
Chen, X., Tian, Y., Wupur, A., Chen, T., Li, S., Zhang, N., Liu, H., Lu, X., Shi, M., Chen, H. Donor-Acceptor Interaction Optimized Film‐Forming Processes Lead to Efficient Organic Solar Cells and Modules Fabricated with Non-Halogenated Solvents.Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202515280.
https://doi.org/10.1002/anie.202515280
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202509/18/50008850.html
