近日，上海交通大學化學化工學院/變革性分子前沿科學中心/上海市電絕緣與熱老化重點實驗室朱磊助理研究員與劉烽教授團隊在Joule期刊發表了一篇題為“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。該成果報道了一種添加劑輔助的逐層加工的新方法，成功構筑光伏活性層體相p-i-n結構(納米級)和表面皺紋形貌(微米級)，實現了活性層形貌的多級次調控，并獲得了器件效率的突破。論文通訊作者是朱磊、劉烽；第一作者是朱磊、張明。
 

　　有機太陽能電池具有低碳、輕質、柔性等優勢，并且可以通過印刷技術低能耗快速制備，是一種極具價值的光伏技術，天然適用于建筑一體化與設備集成等場景。盡管近年來有機太陽能電池的能量轉換效率取得了顯著提升，但在大面積模組制備和器件穩定性化仍有待提高。
 

　　有機太陽能電池一般采用給體和受體材料共混溶液涂布制備。然而，該方法無法調控器件垂直方向上的梯度分布，不利于載流子快速傳輸。逐層制備，控制層間擴散，構筑相分離形貌是一種新型的器件制備方案，對垂直相分離調控具有較好的效果，然而在水平相分離調控上較為困難。對此，研究團隊通過成膜添加劑篩選，在逐層制備中實現形貌預優化，并輔助控制層間擴散，成功地將垂直相分離于水平相分離協同調控，構建了具有梯度組分分布的雙纖維網絡相分離活性層形貌。其中，纖維直徑約20納米，纖維間共混相的尺度壓僅幾納米，形成體相p-i-n結構，纖維密度大幅提高，連續性增強，大大優化了載流子的傳輸路徑，使得激子在解離后能迅速轉移至纖維網絡快速傳輸，從而實現了高效的激子解離和載流子輸運，顯著減少了復合損失。
 

　　此外，這種活性層制備方法成功構筑了光伏薄膜表面褶皺，具有漫反射增強能力，綜合效果類似于硅光伏的表面制絨工藝，對薄膜光伏組件的實際應用具有重要價值。表面褶皺形成關鍵是在受體層制備過程中引入高沸點添加劑，在馬蘭戈尼-伯納德不穩定性和旋涂過程中的徑向流作用下，形成了條紋褶皺。該褶皺形貌不僅增加了光在活性層中的行進路徑，還通過散射反射效應大幅提升了光捕獲能力，提高了光子在吸收層的利用效率，從而顯著提升了電池的短路電流。通過納米級與微米級多級次形貌的構筑與優化，研究人員成功制備了具有20.8%能量轉換效率的小面積器件以及17.0%能量轉換效率的模組器件，推進了有機太陽能電池效率的提升。
 

　　圖1. 吸光層的納米級體相p-i-n結構與微米級表面皺紋結構以及小面積器件與模組器件性能