论文概览
热退火是优化有机太阳能电池（OSCs）体异质结形貌的关键工艺，然而传统热退火在空气中易导致薄膜降解与受热不均。针对这一挑战，浙江大学陈红征团队提出了一种新型后处理策略——溶剂浴热退火（STA），实现了大面积OSC活性层在空气环境下的高效热处理。STA过程中，活性层薄膜浸没于全氟萘烷（PFD）浴中进行加热，确保均匀热分布并隔绝氧气与水分。STA处理的薄膜展现出优化的垂直组分分布、增强的结晶性与更有序的分子堆积，从而促进电荷传输并抑制非辐射复合。基于PM6:L8-BO体系的STA器件实现了小面积电池19.05% 的能量转换效率，大面积组件（20.25 cm²）效率达17.37%（认证效率16.75%），是目前同类大面积有机太阳能组件的最高效率之一。该研究以"Ambient-Compatible Solvent Bath Thermal Annealing for Highly Efficient Organic Solar Cells and Large-Area Modules"为题发表于Advanced Materials。
技术亮点
1. 均匀热分布：STA通过液体介质实现快速热平衡，薄膜表面与基底温差从传统热退货（TA）的1.1°C降至0.2°C，显著提升形貌均匀性。
2. 形貌优化：STA处理使纳米纤维直径由20.1 nm优化至15.3 nm，晶体相干长度提升至21.645 nm，促进激子高效解离与电荷传输。
3. 空气兼容性：STA在空气中处理的器件（OSTA）效率达18.72%，接近惰性气氛处理水平（STA: 19.05%），显著优于传统空气退火（OTA: 17.02%）。
研究意义
✅效率突破：小面积器件效率达19.05%，大面积组件效率17.37%（认证16.75%），创下20 cm²级有机太阳能组件效率纪录。
✅填补空气-惰性气氛性能鸿沟：STA首次实现空气环境下高效退火，为OSCs的大面积、环境友好制造铺平道路。
✅稳定性提升：STA器件在持续光照250小时后仍保持75%初始效率，热稳定性（85°C, 120小时）达80%，显著优于传统TA。
深度精读
图1：STA技术原理与材料表征
此图展示了STA的创新原理及其对活性层光学性质的影响。通过示意图直观对比了TA与STA的热传递方式差异，STA利用PFD实现快速均匀加热并隔绝氧气和水分。化学结构图明确了PM6给体和L8-BO受体的材料体系，而紫外-可见吸收光谱和红外热成像则证实STA处理能引起吸收光谱蓝移，并提供更均匀的基底温度分布，为后续性能优化奠定基础。
图2：薄膜表面特性与界面相容性
该图通过开尔文探针力显微镜（KPFM）和电子传输层溶液铺展行为揭示了不同退火方法对活性层表面性质的关键影响。KPFM图像显示STA处理的薄膜表面电势分布更均匀，远优于传统TA，这有利于载流子提取。同时，接触角测试和溶液铺展实验表明STA薄膜具有更优的亲水性，使电子传输层溶液能快速均匀铺展，有效避免了界面去湿问题，提升了器件界面质量。
图3：活性层形貌与分子堆积演化
结合原子力显微镜、掠入射广角X射线散射和原位紫外-可见吸收光谱，此图深入分析了退火处理对活性层纳米尺度形貌和结晶行为的调控作用。STA处理诱导形成了更精细（平均直径约13.7 nm）且连续的纤维状网络结构，其晶体相干长度增加至21.645 nm，表明分子堆积有序度更高。原位光谱进一步揭示STA具有更长的分子重组阶段（约35秒），为形成优化形态提供了充分时间，这是其性能优异的结构基础。
图4：瞬态吸收光谱与空穴转移动力学
通过瞬态吸收光谱技术，该图直接观测了不同退火处理后活性层内的空穴转移动力学过程。STA处理的薄膜表现出最快的空穴转移动力学，其初始快速转移时间（τ₁）和后续慢速转移时间（τ₂）均优于传统TA处理，表明STA优化了给体-受体界面处的垂直组分分布和分子堆积，从而显著提升了激子解离和电荷生成效率，且该优势在空气环境中依然保持。
图5：器件光伏性能与电荷行为
此图综合展示了基于不同退火方法制备的有机太阳能电池的光伏性能参数和内部电荷行为。电流密度-电压曲线和外量子效率谱表明STA器件获得了最高的光电转换效率（19.05%），其能量损失分析、空间电荷限制电流法测得的载流子迁移率以及瞬态光电流/光电压测量共同证实，STA处理带来了更平衡的电荷传输、更低的非辐射复合损失和更高效的电荷提取能力，是器件性能全面提升的关键。
图6：大面积模块性能与均匀性
该图聚焦于STA技术在大面积有机太阳能模块（20.25 cm²）制备中的成功应用。模块实物照片、电流-电压特性曲线以及激光光束诱导电流映射图像显示，STA处理的模块实现了17.37%的高效率（认证效率16.75%），并且其光电流分布极为均匀，显著优于传统TA模块。这充分证明了STA策略能够有效桥接实验室惰性气氛与大气环境制备的性能差距，为有机光伏的大规模、环境友好制造提供了切实可行的路径。
结论展望
该研究开发的STA技术成功解决了传统热退火在空气中导致的薄膜降解与性能下降问题，通过PFD溶剂浴实现均匀加热与有效保护。STA不仅在PM6:L8-BO体系中实现19.05%的小面积效率与17.37%的大面积组件效率，还在PM6:Y6、D18:L8-BO等多种体系中表现出普适性。该空气兼容、可扩展的退火策略为有机太阳能电池的大面积制造与商业化应用提供了切实可行的技术路径。
文献来源
Wupur, A., Chen, T., Yu, J., Su, S., Wu, X., Li, Y., Zhu, Y., Dong, J., Yang, Y., Zhang, B., Zhan, L., Wu, J., Ma, Z., Li, Y., Fu, W., Chen, H., Ambient-Compatible Solvent Bath Thermal Annealing for Highly Efficient Organic Solar Cells and Large-Area Modules.Adv. Mater. 2025, e14741.
https://doi.org/10.1002/adma.202514741.
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