2024年8月29日，上海交通大学化学化工学院/变革性分子前沿科学中心/上海市电绝缘与热老化重点实验室朱磊助理研究员与刘烽教授团队在Joule期刊发表了一篇题为“Achieving 20.8% organic solar cells via additive-assisted layer-by-layer fabrication with bulk p-i-n structure and improved optical management”的研究成果。该成果报道了一种添加剂辅助的逐层加工的新方法，成功构筑光伏活性层体相p-i-n结构（纳米级）和表面皱纹形貌（微米级），实现了活性层形貌的多级次调控，并获得了器件效率的突破。论文通讯作者是朱磊、刘烽；第一作者是朱磊、张明。

有机太阳能电池具有低碳、轻质、柔性等优势，并且可以通过印刷技术低能耗快速制备，是一种极具价值的光伏技术，天然适用于建筑一体化与设备集成等场景。尽管近年来有机太阳能电池的能量转换效率取得了显著提升，但在大面积模组制备和器件稳定性化方面仍有待提高。

有机太阳能电池一般采用给体和受体材料共混溶液涂布制备。然而，该方法无法调控器件垂直方向上的梯度分布，不利于载流子快速传输。逐层制备、控制层间扩散、构筑相分离形貌是一种新型的器件制备方案，对垂直相分离调控具有较好的效果，然而在水平相分离调控上较为困难。对此，研究团队通过成膜添加剂筛选，在逐层制备中实现形貌预优化，并辅助控制层间扩散，成功地将垂直相分离于水平相分离协同调控，构建了具有梯度组分分布的双纤维网络相分离活性层形貌。其中，纤维直径约20纳米，纤维间共混相的尺度压仅几纳米，形成体相p-i-n结构，纤维密度大幅提高，连续性增强，大大优化了载流子的传输路径，使得激子在解离后能迅速转移至纤维网络快速传输，从而实现了高效的激子解离和载流子输运，显著减少了复合损失。

此外，这种活性层制备方法成功构筑了光伏薄膜表面褶皱，具有漫反射增强能力，综合效果类似于硅光伏的表面制绒工艺，对薄膜光伏组件的实际应用具有重要价值。表面褶皱形成关键是在受体层制备过程中引入高沸点添加剂，在马兰戈尼-伯纳德不稳定性和旋涂过程中的径向流作用下，形成了条纹褶皱。该褶皱形貌不仅增加了光在活性层中的行进路径，还通过散射反射效应大幅提升了光捕获能力，提高了光子在吸收层的利用效率，从而显著提升了电池的短路电流。通过纳米级与微米级多级次形貌的构筑与优化，研究人员成功制备了具有20.8%能量转换效率的小面积器件以及17.0%能量转换效率的模组器件，推进了有机太阳能电池效率的提升。

图1：材料与器件性能。

图2：器件物理、光物理表征。

图3：薄膜形貌表征。

图4：形貌示意图和光子消耗分析。

图5：普适性、模组和器件稳定性。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.08.001