论文概览
精确调控活性层形貌是提升有机太阳能电池效率的关键，但其复杂性使得实现可重复的最优结构极具挑战。针对此难题，四川大学彭强、徐晓鹏团队创新性地开发了一种溶剂蒸汽扩散策略。该研究在逐层制备过程中，通过将苯蒸汽可控地扩散至甲苯基的非富勒烯受体溶液中，在溶液内部构建垂直溶剂梯度，从而实现了对受体分子多尺度预聚集行为的精确调控。这种梯度诱导受体形成层次化的预聚集体，最终在薄膜中转化为优化的多尺度相分离结构，显著促进了激子解离与电荷传输。与此同时，该方法还精细调控了活性层的垂直给体/受体组分分布，使激子生成区域与电荷收集路径最佳匹配。基于此策略，D18/L8-BO体系器件效率从18.99%提升至20.18%；在引入1% PYIT添加剂后，D18/L8-BO-C4体系效率进一步提升至20.71%。该策略在多种材料体系中均展现出普适的性能增益，为高性能有机太阳能电池的形貌工程提供了强大而通用的新平台。研究以“Solvent vapor diffusion-driven multiscale pre-aggregation of non-fullerene acceptors enables high-performance organic solar cells”为题发表于《自然·通讯》。
技术亮点
1. 梯度溶剂工程：利用苯/甲苯蒸汽扩散，在受体溶液中构建垂直溶剂浓度梯度，实现从“强预聚集”到“弱预聚集”的受控过渡。
2. 多尺度形貌构筑：梯度预聚集引导薄膜形成层次化相分离，同时提供丰富的给/受体界面和连续的电荷传输通道。
3. 垂直组分精准调控：优化活性层垂直方向上的给/受体分布，使激子生成峰值区域位于薄膜中心，缩短电荷抽取距离。
4.普适性与高稳定性：方法在多种给受体材料及溶剂对中均有效，且处理后的器件表现出更优的运行稳定性。
研究意义
✅提出形貌调控新范式：将经典晶体生长技术（SVD）创新性应用于有机光伏领域，为溶液-薄膜组装过程提供了全新的可控手段。
✅实现效率突破：将单结有机太阳能电池效率推升至20.7%以上，跻身世界最高效率行列。
✅阐明梯度效应机制：通过多维度表征，系统揭示了垂直溶剂梯度诱导多尺度形貌演化的物理图像与性能增益根源。
✅具备工艺普适性：方法简单、无需复杂添加剂、与现有逐层工艺兼容，为高性能器件的大面积制备提供了可行路径。
深度精读
溶剂梯度构建与预聚集表征
研究首先通过COMSOL模拟和实验验证了SVD过程中苯蒸汽向甲苯溶液的扩散行为（图1c-e）。随着SVD时间增加，溶液自上而下形成清晰的苯浓度梯度：顶部为苯富集区（促进强预聚集），底部为甲苯富集区（保持弱预聚集）。紫外-可见-近红外吸收光谱表明，随着SVD时间延长至120分钟，L8-BO薄膜的最大吸收峰发生红移（从805 nm到810 nm），且I₀₀/I₀₁振子强度比从1.48增至1.68（图2a），证实分子有序性和J型聚集特性显著增强。原位吸收监测薄膜成膜动力学发现，SVD处理大幅缩短了晶体生长阶段（Stage II）的持续时间（Δt），从SVD-0的1.07秒减少到SVD-20的0.92秒，表明梯度环境加速了受体的定向结晶（图3a-b）。
薄膜形貌与垂直相分布解析
掠入射广角/小角X射线散射综合分析揭示了SVD对薄膜纳米结构的深刻影响。GIWAXS显示，SVD处理显著提升了L8-BO的π-π堆积和层状堆积的相干长度（CCL），表明结晶度增强（图3c）。GISAXS分析表明，SVD-20处理后的受体相域尺寸（2Rg）达到43.1 nm，远大于SVD-0的22.9 nm以及简单混合溶剂处理的样品（Mix-0: 32.86 nm），证实了多尺度相分离结构的形成（图3c）。掠入射透射小角X射线散射 这一尖端技术被用于解析活性层深度依赖的纳米形貌。结果显示，SVD-20薄膜的受体相尺寸（2Rg）和混合相比例（φ）沿深度方向呈现梯度变化，而对照组则分布均匀（图3d）。薄膜深度依赖吸收光谱进一步量化了垂直组分分布：SVD-0薄膜因甲苯溶解度高、挥发慢，受体易渗透至给体网络底部；而SVD-120因苯溶解度过低、挥发过快，受体被限制在顶部。SVD-20则取得了最佳平衡，形成了适中的垂直梯度，使激子生成峰值位于薄膜中心约57 nm处，优化了电荷收集（图3e-f）。
超快电荷动力学与传输性能
飞秒瞬态吸收光谱揭示了SVD对电荷生成动力学的加速作用。在SVD-20处理的薄膜中，从受体到给体的空穴转移时间（τ₁）仅为0.46 ps，显著快于Mix-0（0.74 ps）和Mix-20（0.73 ps），表明其给/受体界面处的激子解离更为高效（图4）。空间电荷限制电流法测得SVD-20器件的空穴和电子迁移率分别达到9.04×10⁻⁴和8.13×10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹，实现了更优且平衡的双载流子传输（图4相关分析）。瞬态光电流/光电压测试表明，SVD-20器件具有更短的电荷抽取时间（0.22 μs）和更长的电荷寿命（8.40 μs），共同指向了其抑制复合、提升填充因子的内在优势。
普适性验证与器件稳定性
该SVD策略展现出卓越的普适性。在D18/L8-BO模型体系之外，研究将其成功应用于D18/BTP-C6、D18/m-THE、D18/eC9-2F2Cl以及D18 (1% PYIT)/L8-BO-C4等多个高性能体系，均观察到一致的效率提升（图5及附表）。更换给体为PM6，并改用乙腈/甲苯溶剂对，SVD处理同样将器件效率从18.52%提升至19.58%。最大功率点跟踪稳定性测试显示，SVD-20处理的D18/L8-BO器件在连续白光照射下，衰减至初始效率80%所需的时间约为490小时，远优于SVD-0器件的约300小时，证明优化后的形貌也带来了更佳的运行稳定性。
结论展望
本研究成功开发并验证了一种基于溶剂蒸汽扩散的、用于精确调控非富勒烯受体多尺度预聚集的通用策略。该策略通过构建垂直溶剂梯度，巧妙地将溶液中的梯度预聚集“冻结”并转化为固态薄膜中的优化多尺度形貌与垂直组分分布，从而协同优化了激子解离、电荷传输与收集过程，最终实现了有机太阳能电池效率的显著突破（最高20.71%）与稳定性的提升。这项工作不仅为有机光伏的形貌工程提供了一个强大、普适且易于集成的工具，更重要的是，它深化了人们对“溶液状态-薄膜结构-器件性能”之间构效关系的理解，为下一代高性能、高稳定性有机光电器件的开发开辟了新的设计空间。
文献来源
Zhou, W., Dai, X., Fan, B. et al. Solvent vapor diffusion-driven multiscale pre-aggregation of non-fullerene acceptors enables high-performance organic solar cells. Nat. Commun. 16, 11188 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-66199-5
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