小分子/富勒烯太陽能電池體系：多尺度形貌調(diào)控與性能優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義在全球能源需求持續(xù)攀升以及環(huán)境保護意識不斷增強的大背景下，可再生能源的開發(fā)與利用已成為時代的緊迫需求。太陽能作為一種清潔、可持續(xù)且取之不盡的能源，其轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究備受矚目。太陽能電池作為將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵裝置，在能源領(lǐng)域發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。它不僅極大地豐富了能源的種類，緩解了對傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低了能源供應風險，還在環(huán)境保護方面貢獻卓越，因其在發(fā)電過程中幾乎不產(chǎn)生溫室氣體排放和污染物，有助于減少碳排放，積極應對全球氣候變化，保護生態(tài)環(huán)境。此外，太陽能電池推動了能源的分布式發(fā)展，用戶可實現(xiàn)分布式發(fā)電，提高了能源利用效率，降低了輸電損耗，增強了能源供應的可靠性和穩(wěn)定性，同時帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的繁榮，創(chuàng)造了大量就業(yè)機會，促進了技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。有機太陽能電池（OrganicSolarCells，OSCs）憑借質(zhì)輕、可溶液加工、可制備大面積柔性器件、成本較低以及環(huán)境友好等獨特優(yōu)勢，在新能源領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，成為研究的熱點方向。自20世紀50年代有機太陽能電池的概念被提出以來，經(jīng)過多年發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率（PowerConversionEfficiency，PCE）取得了顯著提升。早期的有機太陽能電池由于材料和結(jié)構(gòu)的限制，效率較低，應用范圍十分有限。但隨著材料科學和器件制備技術(shù)的不斷進步，尤其是20世紀90年代富勒烯的發(fā)現(xiàn)和應用，以及后來分子設(shè)計理念的引入和活性層形貌調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，有機太陽能電池的性能得到了極大改善。如今，實驗室中單結(jié)有機光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近20%，疊層電池的光電轉(zhuǎn)換效率更是達到了20.6%，這些突破性進展為有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化應用帶來了曙光。在有機太陽能電池體系中，小分子/富勒烯太陽能電池體系由于結(jié)合了小分子給體材料結(jié)構(gòu)確定、無批次問題、能級易調(diào)控、載流子遷移性好等特點，以及富勒烯受體材料出色的電子傳輸性能，展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和巨大的研究價值。小分子給體材料具有明確的分子結(jié)構(gòu)和分子量，有利于建立精確的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，從而通過分子設(shè)計進行性能優(yōu)化。富勒烯及其衍生物作為電子受體，具有高電子親和勢、高載流子遷移率以及在較寬波長范圍內(nèi)有良好光吸收性能等特點，能夠有效地接受從小分子給體中分離出來的電子，形成穩(wěn)定的電荷分離狀態(tài)，促進電子傳輸，提高太陽能電池的光吸收性能和太陽能轉(zhuǎn)換效率。活性層作為有機太陽能電池的核心部分，承擔著吸收光子、產(chǎn)生激子以及促進激子解離和電荷傳輸?shù)闹匾蝿?，其性能的?yōu)劣直接決定了電池的整體性能。而活性層的性能很大程度上取決于其形貌結(jié)構(gòu)。多尺度形貌調(diào)控對于小分子/富勒烯太陽能電池體系性能的提升具有關(guān)鍵作用。從微觀尺度上，優(yōu)化分子間的相互作用和堆積方式，能夠影響電荷的產(chǎn)生和傳輸路徑，減少電荷復合損失，提高電荷的收集效率。在介觀尺度上，調(diào)控活性層中給體和受體相的尺寸、形狀、連通性和分布，形成理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，有利于激子的快速擴散和解離，以及載流子的高效傳輸。從宏觀尺度上，控制活性層薄膜的平整度、粗糙度和均勻性等，能夠改善光的吸收和散射，減少光反射損失，提高光的利用效率，同時也對器件的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生重要影響。通過多尺度形貌調(diào)控，可以實現(xiàn)材料性能與器件結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化，充分發(fā)揮小分子/富勒烯太陽能電池體系的潛力，進一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，推動有機太陽能電池向商業(yè)化應用邁進。因此，深入研究小分子/富勒烯太陽能電池體系的多尺度形貌調(diào)控具有重要的科學意義和實際應用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀小分子/富勒烯太陽能電池體系多尺度形貌調(diào)控作為有機太陽能電池領(lǐng)域的重要研究方向，在國內(nèi)外都受到了廣泛的關(guān)注，眾多科研團隊圍繞該領(lǐng)域展開了深入研究，取得了一系列重要成果。在國外，一些頂尖科研機構(gòu)和高校在小分子/富勒烯太陽能電池體系的研究中處于領(lǐng)先地位。例如，美國加利福尼亞大學伯克利分校的研究團隊通過精確的分子設(shè)計，合成了一系列具有特定結(jié)構(gòu)的小分子給體材料，并深入研究了其與富勒烯受體在不同條件下形成的活性層形貌對電池性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整小分子給體的共軛結(jié)構(gòu)和取代基，能夠有效地改變分子間的相互作用和堆積方式，進而調(diào)控活性層的微觀形貌。當小分子給體具有合適的共軛長度和平面性時，能夠與富勒烯受體形成更有序的互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，促進電荷的傳輸和分離，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在介觀尺度上，該團隊利用先進的納米加工技術(shù)和自組裝方法，實現(xiàn)了對給體和受體相尺寸、形狀和分布的精確控制。通過制備具有特定納米結(jié)構(gòu)的模板，引導小分子/富勒烯體系在其上組裝，形成了具有均勻尺寸和良好連通性的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡，顯著提高了激子的擴散和解離效率，以及載流子的傳輸性能。德國馬普學會高分子研究所的研究人員則致力于開發(fā)新型的添加劑和溶劑工程方法，以實現(xiàn)對小分子/富勒烯太陽能電池活性層多尺度形貌的有效調(diào)控。他們發(fā)現(xiàn)，某些特定的添加劑能夠在溶液加工過程中，選擇性地影響小分子給體和富勒烯受體的結(jié)晶行為和相分離過程。一些具有特定官能團的添加劑可以與小分子給體或富勒烯受體形成弱相互作用，從而抑制它們的過度結(jié)晶，促進形成更均勻、精細的相分離結(jié)構(gòu)。在溶劑工程方面，通過調(diào)整溶劑的揮發(fā)速率和溶解度參數(shù)，能夠精確控制活性層薄膜的成膜過程，實現(xiàn)對薄膜平整度、粗糙度和均勻性等宏觀形貌的優(yōu)化。使用具有較低揮發(fā)速率的混合溶劑體系，可以使小分子/富勒烯體系在成膜過程中有更充分的時間進行分子重排和相分離，從而形成更理想的活性層形貌，提高電池的性能和穩(wěn)定性。在國內(nèi)，眾多科研團隊也在小分子/富勒烯太陽能電池體系多尺度形貌調(diào)控方面取得了顯著進展。清華大學的研究小組在小分子給體材料的設(shè)計與合成以及活性層形貌調(diào)控方面開展了系統(tǒng)研究。他們設(shè)計合成了一系列基于新型共軛單元的小分子給體，通過引入具有特定電子效應和空間位阻的取代基，有效地調(diào)控了小分子給體的能級結(jié)構(gòu)和分子堆積方式。在活性層形貌調(diào)控方面，他們采用了熱退火、溶劑退火以及添加劑輔助等多種方法，并結(jié)合先進的表征技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）以及掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等，深入研究了這些方法對活性層多尺度形貌的影響機制。研究發(fā)現(xiàn)，熱退火能夠促進小分子給體和富勒烯受體的分子重排和結(jié)晶，形成更有序的微觀結(jié)構(gòu)；溶劑退火則可以在不改變分子結(jié)構(gòu)的情況下，改善活性層的相分離結(jié)構(gòu)和界面性質(zhì)；添加劑的加入能夠在微觀和介觀尺度上調(diào)控活性層的形貌，通過與小分子給體或富勒烯受體形成特定的相互作用，優(yōu)化相分離尺寸和連通性。中國科學院化學研究所的科研人員則專注于發(fā)展新的制備工藝和界面工程策略，以實現(xiàn)小分子/富勒烯太陽能電池活性層多尺度形貌的協(xié)同優(yōu)化。他們提出了一種基于界面誘導相分離的制備方法，通過在電極與活性層之間引入具有特定功能的界面層，調(diào)控活性層在界面處的成膜過程和相分離行為。這種方法能夠在宏觀尺度上改善活性層與電極的界面接觸，提高電荷的注入和收集效率；在微觀和介觀尺度上，促進形成有利于電荷傳輸?shù)幕钚詫有蚊步Y(jié)構(gòu)。在界面工程方面，他們通過對電子傳輸層和空穴傳輸層進行表面修飾和材料優(yōu)化，改善了活性層與傳輸層之間的能級匹配和界面兼容性，減少了電荷復合，進一步提高了電池的性能。盡管國內(nèi)外在小分子/富勒烯太陽能電池體系多尺度形貌調(diào)控方面已經(jīng)取得了豐碩的成果，但目前的研究仍存在一些不足之處。在材料設(shè)計方面，雖然已經(jīng)開發(fā)出了許多新型的小分子給體和富勒烯受體材料，但對于如何精確地控制材料的分子結(jié)構(gòu)和性能，以實現(xiàn)活性層多尺度形貌的理想調(diào)控，仍然缺乏深入的理解和有效的方法。在形貌調(diào)控方法上，現(xiàn)有的各種調(diào)控手段往往存在一定的局限性，難以實現(xiàn)對活性層多尺度形貌的全面、精確和協(xié)同調(diào)控。例如，添加劑的使用雖然能夠在一定程度上改善活性層的形貌，但可能會引入雜質(zhì)，影響電池的長期穩(wěn)定性；溶劑工程和退火處理等方法對工藝條件的要求較為苛刻，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。此外，對于活性層多尺度形貌與電池性能之間的構(gòu)效關(guān)系，雖然已經(jīng)進行了大量的研究，但仍然存在許多未解之謎，需要進一步深入探索。在不同尺度下，活性層的形貌結(jié)構(gòu)對電荷產(chǎn)生、傳輸和復合過程的影響機制還不完全清楚，這限制了對電池性能的進一步優(yōu)化。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本論文旨在深入研究小分子/富勒烯太陽能電池體系的多尺度形貌調(diào)控，通過材料設(shè)計、制備工藝優(yōu)化以及添加劑的使用等手段，實現(xiàn)對活性層微觀、介觀和宏觀尺度形貌的精確控制，并揭示多尺度形貌與電池性能之間的構(gòu)效關(guān)系，為提高小分子/富勒烯太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容如下：小分子給體材料的設(shè)計與合成：基于對小分子給體材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的深入理解，運用量子化學計算和分子設(shè)計原理，設(shè)計并合成一系列具有特定結(jié)構(gòu)和性能的小分子給體材料。通過調(diào)整分子的共軛結(jié)構(gòu)、取代基種類和位置等，優(yōu)化小分子給體的能級結(jié)構(gòu)、光吸收性能和分子堆積方式，以提高其與富勒烯受體的相容性和電荷傳輸能力?；钚詫游⒂^形貌調(diào)控：研究小分子給體與富勒烯受體在溶液和薄膜狀態(tài)下的分子間相互作用和聚集行為，探索影響活性層微觀形貌的關(guān)鍵因素。利用溶劑工程、熱退火、添加劑等方法，調(diào)控小分子給體和富勒烯受體的結(jié)晶行為和分子排列，形成有利于電荷傳輸?shù)奈⒂^結(jié)構(gòu)。借助高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、原子力顯微鏡（AFM）、掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等先進表征技術(shù)，深入分析微觀形貌與電荷傳輸、復合等過程的關(guān)系?；钚詫咏橛^形貌調(diào)控：通過優(yōu)化制備工藝參數(shù)，如溶液濃度、旋涂速度、退火溫度和時間等，實現(xiàn)對活性層中介觀尺度上給體和受體相尺寸、形狀、連通性和分布的精確控制。采用相分離動力學理論和自組裝原理，引導小分子/富勒烯體系形成理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提高激子的擴散和解離效率，以及載流子的傳輸性能。運用掃描電子顯微鏡（SEM）、掃描透射電子顯微鏡（STEM）等技術(shù)，對介觀形貌進行表征和分析，建立介觀形貌與電池性能之間的定量關(guān)系?；钚詫雍暧^形貌調(diào)控：研究活性層薄膜的成膜過程和表面性質(zhì)，通過改進溶液配方、采用新型成膜技術(shù)等手段，控制活性層薄膜的平整度、粗糙度和均勻性等宏觀形貌參數(shù)。利用光學顯微鏡（OM）、臺階儀、橢偏儀等設(shè)備，對宏觀形貌進行測量和表征。探索宏觀形貌對光的吸收、散射和反射的影響規(guī)律，優(yōu)化光的利用效率，提高電池的短路電流密度。多尺度形貌與電池性能的構(gòu)效關(guān)系研究：綜合考慮微觀、介觀和宏觀尺度形貌對小分子/富勒烯太陽能電池性能的影響，建立多尺度形貌與電池性能之間的構(gòu)效關(guān)系模型。通過對不同形貌結(jié)構(gòu)的活性層進行光電性能測試，如電流-電壓特性（J-V）、外量子效率（EQE）、電化學阻抗譜（EIS）等，深入分析多尺度形貌對電荷產(chǎn)生、傳輸和復合過程的影響機制?；跇?gòu)效關(guān)系模型，指導材料設(shè)計和形貌調(diào)控策略的優(yōu)化，實現(xiàn)小分子/富勒烯太陽能電池性能的進一步提升。1.3.2研究方法為了實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本論文將綜合運用實驗研究和模擬計算相結(jié)合的方法，從多個角度深入探究小分子/富勒烯太陽能電池體系的多尺度形貌調(diào)控。具體研究方法如下：實驗研究方法：材料合成與制備：采用有機合成化學方法，合成設(shè)計的小分子給體材料，并通過柱層析、重結(jié)晶等方法進行純化。按照一定比例將小分子給體與富勒烯受體溶解在適當?shù)挠袡C溶劑中，制備成均勻的溶液。利用溶液旋涂、真空蒸鍍等技術(shù)，在預處理好的基底上制備活性層薄膜，并依次制備空穴傳輸層、電子傳輸層和電極，組裝成完整的小分子/富勒烯太陽能電池器件。形貌表征技術(shù)：運用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察活性層的表面和截面形貌，了解給體和受體相的尺寸、形狀和分布情況；利用透射電子顯微鏡（TEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）研究活性層的微觀結(jié)構(gòu)和分子排列；借助原子力顯微鏡（AFM）測量活性層薄膜的表面粗糙度和微觀形貌；采用掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）和小角X射線散射（SAXS）分析活性層的分子堆積和相分離結(jié)構(gòu)；通過光學顯微鏡（OM）觀察活性層薄膜的宏觀均勻性。光電性能測試：使用太陽光模擬器和源表組成的測試系統(tǒng)，測量小分子/富勒烯太陽能電池的電流-電壓特性（J-V），計算光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）、開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）等性能參數(shù)。利用光譜響應測試系統(tǒng)測量電池的外量子效率（EQE），分析電池對不同波長光的響應情況。通過電化學阻抗譜（EIS）測試，研究電池內(nèi)部的電荷傳輸和復合過程，獲取電荷遷移率、界面電阻等信息。熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性測試：將制備好的小分子/富勒烯太陽能電池置于恒溫箱中，在不同溫度下進行熱老化測試，定期測量電池的光電性能，評估其熱穩(wěn)定性。將電池暴露在模擬太陽光下，進行長時間光照老化測試，觀察電池性能隨光照時間的變化，研究其光穩(wěn)定性。通過熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）等技術(shù)，分析材料和器件的熱性能和熱穩(wěn)定性。模擬計算方法：量子化學計算：運用量子化學計算軟件，如Gaussian、ORCA等，對設(shè)計的小分子給體材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性質(zhì)計算。計算分子的前線軌道能級（HOMO和LUMO）、電荷分布、吸收光譜等，預測小分子給體與富勒烯受體之間的相互作用和電荷轉(zhuǎn)移過程，為材料設(shè)計提供理論指導。分子動力學模擬：采用分子動力學模擬軟件，如LAMMPS、GROMACS等，構(gòu)建小分子給體和富勒烯受體的分子模型，模擬它們在溶液和薄膜狀態(tài)下的分子運動和聚集行為。研究溫度、溶劑、添加劑等因素對分子間相互作用和微觀形貌形成的影響，揭示微觀形貌調(diào)控的內(nèi)在機制。器件物理模擬：利用器件物理模擬軟件，如SCAPS-1D、AMPS-1D等，建立小分子/富勒烯太陽能電池的器件模型，模擬電池的工作過程。通過輸入材料的光學、電學和形貌等參數(shù)，模擬不同形貌結(jié)構(gòu)下電池的光電性能，分析多尺度形貌對電荷產(chǎn)生、傳輸和復合過程的影響，驗證實驗結(jié)果并為實驗優(yōu)化提供理論依據(jù)。二、小分子/富勒烯太陽能電池體系基礎(chǔ)2.1工作原理小分子/富勒烯太陽能電池的工作過程主要涉及光吸收、激子產(chǎn)生與分離、電荷傳輸和收集等關(guān)鍵步驟，這些過程相互關(guān)聯(lián)，共同決定了電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率。當太陽光照射到小分子/富勒烯太陽能電池的活性層時，光子首先被具有合適能帶結(jié)構(gòu)的小分子給體材料吸收。小分子給體材料中的電子吸收光子能量后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，形成電子-空穴對，即激子。由于有機材料中存在較強的電子-晶格相互作用，激子通常以束縛態(tài)的形式存在，其結(jié)合能相對較高，約為0.1-1eV。這意味著在有機體系中，光生載流子不能像在無機半導體中那樣直接分離成自由電子和空穴，而是需要克服一定的能量障礙。為了實現(xiàn)激子的有效分離，小分子/富勒烯太陽能電池利用了給體和受體材料之間的能級差和界面效應。在活性層中，小分子給體與富勒烯受體形成本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，當激子擴散到給體-受體界面時，由于富勒烯受體具有比小分子給體更低的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級，電子會從激子中的電子態(tài)轉(zhuǎn)移到富勒烯受體的LUMO能級上，而空穴則留在小分子給體的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級上，從而實現(xiàn)激子的解離，產(chǎn)生自由的電子和空穴。激子的擴散長度和擴散時間是影響激子解離效率的重要因素。激子在有機材料中的擴散長度通常較短，一般在10-20nm左右，這就要求給體-受體界面具有足夠大的面積和合適的相分離尺度，以確保激子能夠在其擴散壽命內(nèi)到達界面并發(fā)生解離。激子的擴散時間與材料的性質(zhì)和溫度等因素有關(guān)，一般在皮秒到納秒量級。激子解離產(chǎn)生的自由電子和空穴需要通過活性層傳輸?shù)较鄳碾姌O才能被收集，形成光電流。在小分子/富勒烯體系中，電子主要通過富勒烯受體相傳輸，而空穴則通過小分子給體相傳輸。電荷傳輸過程受到材料的載流子遷移率、相分離結(jié)構(gòu)以及界面性質(zhì)等多種因素的影響。富勒烯受體具有較高的電子遷移率，能夠快速地傳輸電子，其電子遷移率通常在10??-10?2cm2/(V?s)范圍內(nèi)。小分子給體的空穴遷移率則相對較低，一般在10??-10?3cm2/(V?s)之間。為了實現(xiàn)高效的電荷傳輸，活性層需要形成理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使給體和受體相在納米尺度上相互連通，為電荷傳輸提供連續(xù)的通道?；钚詫优c電極之間的界面性質(zhì)也對電荷傳輸起著重要作用，良好的界面接觸可以降低電荷注入和傳輸?shù)哪芰空系K，提高電荷收集效率。在電荷傳輸?shù)诫姌O后，電子被陰極收集，空穴被陽極收集，從而在外部電路中形成電流。電極的選擇和界面修飾對于提高電荷收集效率至關(guān)重要。常用的陰極材料有鋁、鈣等，陽極材料有氧化銦錫（ITO）等。通過在電極與活性層之間引入合適的界面層，如電子傳輸層和空穴傳輸層，可以改善電極與活性層之間的能級匹配和界面兼容性，減少電荷復合，提高電荷收集效率。電子傳輸層通常具有較低的LUMO能級，能夠有效地收集和傳輸電子，同時阻擋空穴；空穴傳輸層則具有較高的HOMO能級，能夠收集和傳輸空穴，同時阻擋電子。常見的電子傳輸層材料有氧化鋅、二氧化鈦等，空穴傳輸層材料有聚（3,4-乙撐二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）等。2.2結(jié)構(gòu)組成小分子/富勒烯太陽能電池通常由陰極、陽極、界面層和活性層等多個部分組成，各部分在電池的工作過程中發(fā)揮著不可或缺的獨特作用。陰極是太陽能電池中電子的收集電極，其主要作用是收集從活性層傳輸過來的電子，并將其輸送到外部電路中。為了實現(xiàn)高效的電子收集和傳輸，陰極材料需要具備低的功函數(shù)，以降低電子從活性層注入到陰極的能量障礙。常見的陰極材料有金屬鋁（Al），其功函數(shù)約為4.28eV，具有良好的導電性和較高的化學穩(wěn)定性，能夠有效地收集電子；鈣（Ca）的功函數(shù)較低，約為2.9eV，能夠降低電子注入勢壘，提高電子收集效率，但鈣的化學性質(zhì)較為活潑，在空氣中容易被氧化，通常需要與其他材料組合使用。此外，銀（Ag）、鋰（Li）等金屬也常被用作陰極材料，或者與其他材料復合形成復合陰極。在一些研究中，采用銀納米線與聚合物復合的陰極，結(jié)合了銀納米線的高導電性和聚合物的柔韌性，既提高了電子收集效率，又增強了器件的柔性。陽極則是收集空穴的電極，負責將活性層產(chǎn)生的空穴傳輸?shù)酵獠侩娐?。陽極材料通常需要具有較高的功函數(shù)，以促進空穴的注入。氧化銦錫（ITO）是最常用的陽極材料之一，其功函數(shù)約為4.7-5.1eV，具有良好的透明性和導電性，能夠在保證光透過的同時有效地收集空穴。然而，ITO也存在一些缺點，如價格較高、脆性較大等。為了解決這些問題，研究人員開發(fā)了一些替代材料，如氧化鋅（ZnO）、石墨烯等。氧化鋅具有較高的電子遷移率和良好的化學穩(wěn)定性，通過對其進行摻雜和表面修飾，可以調(diào)節(jié)其功函數(shù)，使其適用于陽極材料；石墨烯則具有優(yōu)異的導電性和機械性能，作為陽極材料時，能夠提高器件的柔韌性和穩(wěn)定性。界面層位于活性層與電極之間，雖然厚度較薄，但對電池性能有著至關(guān)重要的影響。界面層主要包括電子傳輸層（ETL）和空穴傳輸層（HTL）。電子傳輸層的作用是選擇性地傳輸電子，阻擋空穴，同時改善活性層與陰極之間的界面接觸。常見的電子傳輸層材料有氧化鋅（ZnO），其具有合適的導帶能級，能夠有效地傳輸電子，同時其化學穩(wěn)定性較好，能夠在一定程度上保護活性層不受陰極材料的影響；二氧化鈦（TiO?）也是一種常用的電子傳輸層材料，其具有較高的電子遷移率和良好的光穩(wěn)定性，在一些基于小分子/富勒烯的太陽能電池中，能夠顯著提高電池的性能。空穴傳輸層的主要功能是傳輸空穴，阻擋電子，增強活性層與陽極之間的相互作用。聚（3,4-乙撐二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）是一種廣泛應用的空穴傳輸層材料，其具有較高的電導率和良好的成膜性，能夠有效地傳輸空穴。一些小分子空穴傳輸材料，如2,2',7,7'-四（N,N-二對甲氧基苯基氨基）-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD），也具有出色的空穴傳輸性能，在高性能小分子/富勒烯太陽能電池中發(fā)揮著重要作用?；钚詫邮切》肿?富勒烯太陽能電池的核心部分，由小分子給體和富勒烯受體混合組成，是實現(xiàn)光吸收、激子產(chǎn)生、解離以及電荷傳輸?shù)年P(guān)鍵區(qū)域。小分子給體材料通常具有特定的共軛結(jié)構(gòu)，能夠有效地吸收光子并產(chǎn)生激子。通過分子設(shè)計，可以調(diào)節(jié)小分子給體的共軛長度、取代基種類和位置等，從而優(yōu)化其光吸收性能、能級結(jié)構(gòu)和分子堆積方式。一些含有噻吩、苯并噻二唑等共軛單元的小分子給體，具有較寬的光吸收范圍和合適的能級，能夠與富勒烯受體形成良好的匹配。富勒烯受體則以其獨特的籠狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電子親和性，能夠高效地接受從小分子給體中分離出來的電子，促進電荷的傳輸。常見的富勒烯受體衍生物如[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM），具有高電子遷移率和良好的溶解性，在小分子/富勒烯太陽能電池中被廣泛應用?；钚詫拥男阅芎艽蟪潭壬先Q于其形貌結(jié)構(gòu)。理想的活性層形貌應具備合適的相分離尺度、良好的相連續(xù)性和均勻的分布。在微觀尺度上，分子間的有序堆積和相互作用能夠促進電荷的產(chǎn)生和傳輸；在介觀尺度上，給體和受體相形成雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，有利于激子的快速擴散和解離；從宏觀尺度上，活性層薄膜的平整度和均勻性影響著光的吸收和散射，以及電荷的傳輸和收集。如果活性層的相分離尺度過大，激子可能無法在擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面，導致激子復合增加，電荷產(chǎn)生效率降低；而相分離尺度過小，則可能會影響電荷的傳輸路徑，增加電荷傳輸?shù)淖枇?。活性層薄膜的不均勻性可能會導致局部電荷積累或復合，降低電池的整體性能。因此，活性層的形貌調(diào)控對于提高小分子/富勒烯太陽能電池的性能至關(guān)重要。2.3多尺度形貌的概念與重要性多尺度形貌是指在小分子/富勒烯太陽能電池活性層中，從微觀到宏觀不同尺度上所呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)特征，這些特征涵蓋了分子排列、相分離結(jié)構(gòu)以及薄膜整體性質(zhì)等多個層面。在微觀尺度下，多尺度形貌主要涉及小分子給體與富勒烯受體分子間的相互作用和堆積方式。分子間通過范德華力、π-π相互作用等弱相互作用形成特定的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)對電荷的產(chǎn)生和傳輸路徑有著關(guān)鍵影響。研究表明，當小分子給體具有良好的平面性和共軛結(jié)構(gòu)時，能夠與富勒烯受體形成緊密且有序的分子堆積，有利于電荷的快速傳輸。在基于小分子給體D18和富勒烯受體PCBM的體系中，通過分子設(shè)計使D18具有合適的共軛長度和平面性，能夠與PCBM形成更有序的微觀結(jié)構(gòu)，促進電荷的產(chǎn)生和傳輸，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。若分子堆積無序，電荷傳輸過程中會遭遇更多的能量障礙，導致電荷復合增加，電荷收集效率降低。介觀尺度上的多尺度形貌則主要關(guān)注活性層中給體和受體相的尺寸、形狀、連通性和分布。理想的介觀結(jié)構(gòu)是形成雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡，即給體相和受體相在納米尺度上相互交織，各自形成連續(xù)的通道，為激子的擴散和解離以及載流子的傳輸提供高效路徑。這種結(jié)構(gòu)能夠有效縮短激子的擴散距離，確保激子在其擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面并發(fā)生解離。通過優(yōu)化制備工藝參數(shù)，如溶液濃度、旋涂速度等，可以調(diào)控給體和受體相的尺寸和連通性。當溶液濃度較低時，給體和受體分子在成膜過程中有更多的空間進行擴散和排列，可能形成尺寸較大、連通性較好的相分離結(jié)構(gòu)；而較高的旋涂速度則可能使分子來不及充分擴散，導致相分離尺寸較小且連通性較差。若相分離尺度過大，激子可能無法及時到達界面，增加復合幾率；相分離尺度過小，則會影響電荷傳輸?shù)倪B續(xù)性，降低載流子遷移率。從宏觀尺度來看，多尺度形貌體現(xiàn)為活性層薄膜的平整度、粗糙度和均勻性等。這些宏觀性質(zhì)對光的吸收、散射和反射有著重要影響。平整且均勻的薄膜能夠減少光的反射損失，提高光的利用效率，從而增加電池的短路電流密度。而薄膜的粗糙度和不均勻性可能導致局部電場分布不均勻，影響電荷的傳輸和收集。通過改進溶液配方、采用新型成膜技術(shù)等手段，可以改善活性層薄膜的宏觀形貌。在溶液中添加適量的表面活性劑，能夠降低溶液的表面張力，使溶液在基底上更均勻地鋪展，從而提高薄膜的平整度和均勻性。多尺度形貌在小分子/富勒烯太陽能電池的工作過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，對電池性能有著深遠的影響。在激子解離方面，合適的多尺度形貌能夠提供充足且高效的給體-受體界面，促進激子的有效解離。在微觀尺度上，分子間的有序堆積和相互作用有助于形成穩(wěn)定的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)，降低激子的結(jié)合能，使激子更容易在給體-受體界面處解離。在介觀尺度上，雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)能夠增加給體-受體界面的面積，縮短激子的擴散距離，提高激子解離效率。電荷傳輸過程也高度依賴于多尺度形貌。良好的微觀和介觀結(jié)構(gòu)為電荷傳輸提供了連續(xù)且低電阻的通道，減少電荷復合損失，提高電荷收集效率。在微觀尺度上，有序的分子堆積能夠增強分子間的電荷轉(zhuǎn)移能力，提高載流子遷移率；在介觀尺度上，給體和受體相的良好連通性確保了電荷能夠順利傳輸?shù)诫姌O。宏觀尺度上，平整均勻的薄膜有利于電荷在整個活性層內(nèi)均勻傳輸，避免局部電荷積累或復合。多尺度形貌還與電池的穩(wěn)定性密切相關(guān)。穩(wěn)定的微觀和介觀結(jié)構(gòu)能夠減少材料在使用過程中的結(jié)構(gòu)變化，抑制相分離的進一步發(fā)展，從而提高電池的長期穩(wěn)定性。宏觀尺度上，均勻的薄膜可以減少應力集中，降低薄膜開裂和脫落的風險，延長電池的使用壽命。三、小分子/富勒烯太陽能電池體系多尺度形貌調(diào)控策略3.1材料分子設(shè)計3.1.1小分子給體材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化小分子給體材料的結(jié)構(gòu)對其結(jié)晶性和活性層形貌有著至關(guān)重要的影響，通過對小分子給體材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以有效地調(diào)控其在活性層中的分子排列、聚集行為以及與富勒烯受體的相互作用，從而改善活性層的多尺度形貌，提高太陽能電池的性能。擴大小分子給體的稠環(huán)結(jié)構(gòu)是一種常用的優(yōu)化策略。稠環(huán)結(jié)構(gòu)的擴大能夠增加分子的共軛程度，提高分子的平面性和剛性，從而增強分子間的π-π相互作用，促進分子的有序堆積，提高材料的結(jié)晶性。以小分子給體ZR1為例，中國科學院國家納米科學中心研究員魏志祥團隊通過擴大其中間給電子單元的稠環(huán)結(jié)構(gòu)，成功提高了材料的結(jié)晶性。當ZR1與非富勒烯受體Y6共混后，實現(xiàn)了多級次形貌的有效調(diào)控。在微觀尺度上，擴大的稠環(huán)結(jié)構(gòu)使得ZR1分子間的π-π相互作用增強，分子排列更加有序，形成了有利于電荷傳輸?shù)奈⒂^結(jié)構(gòu)。這種有序的微觀結(jié)構(gòu)能夠促進電荷的產(chǎn)生和傳輸，減少電荷復合損失，提高電荷收集效率。在介觀尺度上，ZR1結(jié)晶性的提高影響了與Y6之間的相分離行為，形成了更理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。給體和受體相在納米尺度上相互交織，各自形成連續(xù)的通道，為激子的擴散和解離以及載流子的傳輸提供了高效路徑。合適的相分離尺度和連通性確保了激子能夠在擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面并發(fā)生解離，同時也有利于電荷的快速傳輸，從而提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。改變小分子給體的側(cè)鏈也是調(diào)控其結(jié)晶性和形貌的重要手段。側(cè)鏈的種類、長度和位置會影響分子間的相互作用、分子的溶解性以及分子的空間排列，進而對活性層的形貌產(chǎn)生顯著影響。通過側(cè)鏈苯基烷硫鏈位置異構(gòu)化設(shè)計的新結(jié)構(gòu)給體M-PhS，協(xié)同優(yōu)化了有序堆積和高相容性。不同位置的苯基烷硫鏈使得M-PhS分子間的相互作用發(fā)生變化，在保證分子有序堆積的同時，提高了與受體材料的相容性。在與受體共混形成活性層時，這種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)有利于構(gòu)筑相尺度多級次分布的活性層形貌。在微觀尺度上，合適的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)促進了分子間的有序排列，增強了電荷傳輸能力；在介觀尺度上，相尺度的多級次分布實現(xiàn)了電荷分離和傳輸?shù)钠胶狻］^小的相分離尺度有利于激子的快速擴散和解離，而較大尺度的相結(jié)構(gòu)則提供了連續(xù)的電荷傳輸通道，從而提高了太陽能電池的性能。小分子給體的端基烷基鏈長度也會對其結(jié)晶性和熱退火敏感性產(chǎn)生影響。將小分子給體的端基烷基鏈從己基(MPhS-C6)縮短到乙基(MPhS-C2)，在獲得緊密π-π堆積的同時降低了其結(jié)晶性對熱退火的敏感性。MPhS-C6由于端基長烷基鏈的自由旋轉(zhuǎn)帶來的柔性，其結(jié)晶行為對熱敏感，在器件熱退火時HOMO能級和結(jié)晶行為大幅提升。而短烷基鏈的MPhS-C2降低了對熱退火的敏感性，從而降低了HOMO能級上升幅度和其結(jié)晶尺度。短烷基鏈的致密性堆積特性保證了在較小相分離尺度下的有效電荷傳輸。當使用BTP-eC9作為受體時，與MPhS-C6相比，基于MPhS-C2：BTP-eC9器件的非輻射能量損失從0.247eV降低到0.192eV，效率從16.2%提升至17.11%。這表明通過合理設(shè)計小分子給體的端基烷基鏈長度，可以優(yōu)化活性層的形貌，降低非輻射能量損失，提高太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。3.1.2富勒烯受體材料修飾富勒烯受體材料在小分子/富勒烯太陽能電池體系中起著關(guān)鍵作用，其修飾方法對分子間相互作用和活性層形貌有著顯著影響。通過對富勒烯受體材料進行修飾，可以調(diào)節(jié)其電子結(jié)構(gòu)、分子間相互作用以及與小分子給體的相容性，從而優(yōu)化活性層的多尺度形貌，提高太陽能電池的性能。引入取代基是富勒烯受體材料修飾的常用方法之一。在富勒烯受體的碳籠上引入不同的取代基，能夠改變受體分子的電子云分布、空間位阻以及分子間相互作用。武漢理工大學王濤教授和劉丹副教授等人研究的四種新型推-拉型富勒烯二聚體DC60-R1-R2（R1=H或Cl，R2=H或MeO），其中極性取代基的存在決定了分子間的相互作用。DC60-Cl-MeO由于其吸電子基團（-Cl）與給電子基團（-MeO）之間最強的電子推拉效應，表現(xiàn)出最佳的電荷傳輸和缺陷鈍化能力。在活性層中，這種取代基的修飾使得DC60-Cl-MeO與小分子給體之間形成了更有利的相互作用，影響了分子的聚集行為和相分離過程。在微觀尺度上，合適的取代基促進了分子間的有序堆積，增強了電荷傳輸能力；在介觀尺度上，優(yōu)化了給體和受體相的尺寸、形狀和連通性，形成了更有利于電荷傳輸和激子解離的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。取代基的引入還會影響富勒烯受體的結(jié)晶行為和溶解性。不同的取代基會改變受體分子與小分子給體以及溶劑分子之間的相互作用，從而影響受體在溶液中的聚集狀態(tài)和在薄膜中的結(jié)晶過程。當在富勒烯受體上引入具有特定結(jié)構(gòu)的取代基時，可能會抑制受體的過度結(jié)晶，使其與小分子給體形成更均勻、精細的相分離結(jié)構(gòu)。這種優(yōu)化的相分離結(jié)構(gòu)能夠減少電荷復合，提高電荷收集效率。一些含有較長烷基鏈取代基的富勒烯受體，由于烷基鏈的空間位阻效應，能夠降低受體分子的結(jié)晶速度，使其在成膜過程中有更充分的時間與小分子給體相互混合和排列，從而形成更理想的活性層形貌。除了引入取代基，對富勒烯受體進行化學改性，如形成富勒烯二聚體或多聚體，也能夠改變其分子間相互作用和形貌。富勒烯二聚體或多聚體的形成可以增加分子的尺寸和剛性，改變分子的電子結(jié)構(gòu)和堆積方式。在一些研究中，合成的富勒烯二聚體在活性層中表現(xiàn)出與單體不同的聚集行為和相分離特性。富勒烯二聚體之間通過共價鍵或非共價鍵相互連接，形成了更大的分子聚集體，這些聚集體在活性層中能夠形成獨特的微觀和介觀結(jié)構(gòu)。在微觀尺度上，富勒烯二聚體的聚集方式可能會影響電荷的傳輸路徑和電荷復合過程；在介觀尺度上，其相分離行為和連通性也會發(fā)生變化，從而對太陽能電池的性能產(chǎn)生影響。通過合理設(shè)計富勒烯二聚體或多聚體的結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化活性層的形貌，提高太陽能電池的性能。3.2添加劑調(diào)控3.2.1揮發(fā)性固體添加劑揮發(fā)性固體添加劑在小分子/富勒烯太陽能電池活性層形貌調(diào)控中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和重要作用。以1,4-二溴苯（DBB）和1,4-二氟-2,5-二溴苯（DFBB）這兩種鹵素取代的揮發(fā)性固體添加劑為例，它們在調(diào)控活性層形貌方面有著顯著的效果，能夠有效提升太陽能電池的性能。從分子結(jié)構(gòu)的角度來看，DBB和DFBB具有不同的電子結(jié)構(gòu)特性，這決定了它們與活性層材料之間的相互作用方式和強度。通過分子表面靜電勢（ESP）分析發(fā)現(xiàn)，DFBB具有更高的ESP極值和更強的σ-Hole相互作用位點。這種獨特的電子結(jié)構(gòu)使得DFBB能夠與受體材料形成更強的非共價相互作用。在基于PM6:L8-BO體系的研究中，這種相互作用有效改善了受體的結(jié)晶行為。受體材料在DFBB的作用下，結(jié)晶過程得到優(yōu)化，能夠形成更有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。在成膜過程中，DFBB還平衡了給體和受體的結(jié)晶差異。給體和受體材料在結(jié)晶速度和結(jié)晶方式上往往存在差異，這可能導致活性層中相分離結(jié)構(gòu)的不均勻和不理想。而DFBB的加入能夠調(diào)節(jié)這種差異，使給體和受體在成膜過程中更好地協(xié)同作用，促進了致密分子堆積和有序取向的形成。通過共振軟X射線散射（R-SoXS）技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，DFBB能夠提高共混膜的相純度，并使相分離尺寸更接近激子擴散距離。相純度的提高意味著給體和受體相之間的界面更加清晰和純凈，減少了雜質(zhì)和缺陷的存在，有利于電荷的傳輸和分離。相分離尺寸與激子擴散距離的匹配則確保了激子能夠在擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面并發(fā)生解離，提高了激子的解離效率。基于PM6:L8-BO體系的有機太陽能電池在DFBB處理后實現(xiàn)了19.2%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），顯著高于對照組（17.0%）和DBB處理組（18.2%），且展現(xiàn)出更優(yōu)異的器件穩(wěn)定性。這充分說明了DFBB在調(diào)控活性層形貌、提升電池性能和穩(wěn)定性方面的有效性。相比之下，DBB雖然也能對活性層形貌產(chǎn)生一定的影響，但由于其與受體材料的相互作用相對較弱，在改善受體結(jié)晶行為和平衡給受體結(jié)晶差異方面的效果不如DFBB顯著。在一些研究中，DBB處理后的活性層相分離結(jié)構(gòu)雖然有所改善，但相純度和相分離尺寸的優(yōu)化程度有限，導致電池性能的提升幅度相對較小。這進一步凸顯了揮發(fā)性固體添加劑的電子結(jié)構(gòu)特性對活性層形貌調(diào)控的重要性，以及選擇合適添加劑的關(guān)鍵意義。3.2.2其他添加劑類型及作用除了揮發(fā)性固體添加劑，其他類型的添加劑如液晶小分子在小分子/富勒烯太陽能電池體系中也發(fā)揮著重要的作用，對活性層的結(jié)晶性和相容性有著顯著的調(diào)控效果，進而影響電池的性能。液晶小分子具有獨特的分子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，能夠在活性層中誘導特定的分子排列和相分離行為。在基于非富勒烯體系PM6:Y6的研究中，引入液晶小分子DFBT-TT6作為第三組分受體，展現(xiàn)出了良好的效果。DFBT-TT6的加入增加了有機太陽能電池器件在紫外區(qū)域的吸收作用，實現(xiàn)了光的互補吸收。這是因為液晶小分子具有特殊的光學性質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)中的共軛體系和液晶相特性使得它能夠吸收特定波長的光，從而拓寬了活性層對光的吸收范圍，提高了光的利用效率。DFBT-TT6還增強了PM6和Y6的結(jié)晶度。液晶小分子的分子間相互作用能夠影響給體和受體分子的聚集行為，促進它們形成更有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。通過增強結(jié)晶度，改善了分子間的電荷傳輸路徑，提高了電荷傳輸效率。DFBT-TT6增加了相分離并減小了π-π堆積距離。合適的相分離結(jié)構(gòu)對于激子的擴散和解離至關(guān)重要，而減小π-π堆積距離則有利于增強分子間的電子耦合，提高電荷傳輸能力。這些作用共同實現(xiàn)了超快的激子解離和更高的電荷收集效率，使基于該體系的太陽能電池性能得到顯著提升。液晶小分子的添加還豐富了第三組分受體添加劑的范疇，為三元有機太陽能電池第三組分受體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的參考。在探索新型添加劑的過程中，研究液晶小分子與給體和受體材料之間的相互作用機制，以及如何通過分子設(shè)計優(yōu)化其性能，對于進一步提高小分子/富勒烯太陽能電池的效率和穩(wěn)定性具有重要意義。除了液晶小分子，還有一些其他類型的添加劑，如具有特定官能團的有機小分子、納米粒子等，也在活性層形貌調(diào)控和電池性能提升方面展現(xiàn)出潛在的應用價值。一些含有強極性官能團的有機小分子可以通過與給體或受體材料形成氫鍵或其他強相互作用，來調(diào)控分子的聚集行為和相分離過程。納米粒子則可以利用其特殊的尺寸效應和表面性質(zhì)，影響活性層的微觀結(jié)構(gòu)和電荷傳輸特性。對這些不同類型添加劑的深入研究，將為小分子/富勒烯太陽能電池體系的多尺度形貌調(diào)控提供更多的策略和方法。3.3溶劑工程3.3.1單一溶劑選擇在小分子/富勒烯太陽能電池的制備過程中，單一溶劑的選擇對給受體材料的溶解性和結(jié)晶行為有著顯著影響，進而決定了活性層的形貌，最終對電池性能產(chǎn)生關(guān)鍵作用。以氯仿和氯苯這兩種常見的單一溶劑為例，它們在小分子/富勒烯體系中展現(xiàn)出不同的溶劑特性，對活性層形貌的形成有著各自獨特的作用機制。氯仿（CHCl?）是一種常用的有機溶劑，具有相對較低的沸點（61.2℃）和適中的溶解性。在小分子/富勒烯太陽能電池體系中，氯仿對小分子給體和富勒烯受體材料具有良好的溶解性，能夠使給受體材料在溶液中均勻分散，形成穩(wěn)定的溶液體系。這種良好的溶解性有利于在成膜過程中給受體分子的充分混合和相互作用。由于氯仿的揮發(fā)速度較快，在旋涂成膜過程中，溶劑迅速揮發(fā)，使得給受體分子能夠快速聚集和結(jié)晶。這種快速結(jié)晶的過程可能導致活性層中給體和受體相的相分離尺寸較小，形成較為精細的相分離結(jié)構(gòu)。這種精細的相分離結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了給體-受體界面的面積，有利于激子的擴散和解離。但是，如果相分離尺度過小，可能會影響電荷的傳輸路徑，增加電荷傳輸?shù)淖枇?，導致電荷復合增加。在一些基于小分子給體和富勒烯受體的體系中，使用氯仿作為溶劑時，雖然激子解離效率較高，但由于電荷傳輸受阻，電池的填充因子和短路電流密度可能會受到影響，從而限制了電池性能的進一步提升。氯苯（C?H?Cl）的沸點相對較高，為131.7℃，其溶解性和揮發(fā)速度與氯仿有所不同。氯苯對小分子給體和富勒烯受體也具有較好的溶解性，但相較于氯仿，其揮發(fā)速度較慢。在成膜過程中，由于氯苯揮發(fā)緩慢，給受體分子有更充足的時間進行擴散和排列，這可能導致活性層中給體和受體相的相分離尺寸較大，形成相對較粗的相分離結(jié)構(gòu)。較大的相分離尺寸有利于電荷的傳輸，能夠降低電荷傳輸?shù)淖枇Γ岣唠姾墒占?。然而，如果相分離尺度過大，激子可能無法在擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面，導致激子復合增加，電荷產(chǎn)生效率降低。在某些研究中，使用氯苯作為溶劑制備的小分子/富勒烯太陽能電池，雖然電荷傳輸性能較好，但激子解離效率相對較低，從而影響了電池的整體性能。除了氯仿和氯苯，還有其他一些單一溶劑也被應用于小分子/富勒烯太陽能電池的制備中，如甲苯、二氯甲烷等。甲苯的沸點為110.6℃，其溶解性和揮發(fā)速度介于氯仿和氯苯之間。甲苯對一些小分子給體和富勒烯受體具有良好的溶解性，在成膜過程中，其揮發(fā)速度適中，能夠使給受體分子在一定程度上進行有序排列，形成具有合適相分離尺寸和連通性的活性層形貌。二氯甲烷的沸點較低，為39.8℃，揮發(fā)速度快，對給受體材料的溶解性也較好。使用二氯甲烷作為溶劑時，成膜速度快，可能會形成較為致密的活性層薄膜，但相分離結(jié)構(gòu)可能不夠理想，需要通過其他方法進行調(diào)控。不同單一溶劑的特性對小分子/富勒烯太陽能電池活性層的形貌和性能有著復雜的影響，在實際制備過程中，需要根據(jù)給受體材料的特性和電池性能的要求，合理選擇單一溶劑，以獲得理想的活性層形貌和高性能的太陽能電池。3.3.2共混溶劑策略共混溶劑策略是調(diào)控小分子/富勒烯太陽能電池活性層形貌的有效手段之一，通過合理選擇和調(diào)配不同溶劑的比例，可以精確調(diào)控活性層的互穿網(wǎng)絡狀微納形貌，從而提升電池的性能。以鄰二甲苯（o-XY）與二硫化碳（CS?）共混溶劑為例，這種共混溶劑體系展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對活性層形貌的精細調(diào)控。鄰二甲苯是一種具有較高沸點（144.4℃）的有機溶劑，對小分子給體和富勒烯受體具有一定的溶解性。二硫化碳的沸點相對較低，為46.5℃，且對受體材料具有良好的溶解性。當鄰二甲苯與二硫化碳組成共混溶劑時，兩種溶劑不同的沸點和對受體溶解性的差異成為調(diào)控活性層形貌的關(guān)鍵因素。在溶液制備過程中，鄰二甲苯和二硫化碳能夠共同溶解小分子給體和富勒烯受體，形成均勻的溶液體系。在成膜過程中，由于二硫化碳沸點低，揮發(fā)速度快，首先從溶液中揮發(fā)出去。隨著二硫化碳的揮發(fā)，溶液中受體的濃度相對增加，受體分子開始聚集和結(jié)晶。鄰二甲苯的存在則減緩了整體的揮發(fā)速度，為給受體分子的相互作用和相分離提供了更充足的時間。這種共混溶劑體系能夠?qū)崿F(xiàn)對活性層互穿網(wǎng)絡狀微納形貌的精細調(diào)控。在相分離過程中，受體分子在二硫化碳揮發(fā)的驅(qū)動下，逐漸聚集形成納米級別的相區(qū)。鄰二甲苯的緩慢揮發(fā)則使得小分子給體能夠在受體相區(qū)周圍有序排列，形成相互交織的互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有良好的相連續(xù)性和連通性，給體和受體相各自形成連續(xù)的通道，為激子的擴散和解離以及載流子的傳輸提供了高效路徑。合適的相分離尺度能夠確保激子在擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面并發(fā)生解離，同時有利于電荷的快速傳輸。通過調(diào)節(jié)鄰二甲苯和二硫化碳的比例，可以進一步優(yōu)化活性層的形貌。當二硫化碳的比例增加時，受體的結(jié)晶速度加快，相分離尺寸可能會減?。欢黾余彾妆降谋壤?，則可以減緩受體的結(jié)晶速度，使相分離尺寸適當增大。通過精確控制兩種溶劑的比例，可以獲得具有理想相分離尺寸和連通性的活性層形貌，從而提高太陽能電池的性能?；卩彾妆脚c二硫化碳共混溶劑制備的小分子/富勒烯太陽能電池，在實際應用中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這種共混溶劑策略制備的器件最高效率達到17.5%，是目前基于非鹵素溶劑加工的有機太陽能電池最高效率之一。這充分證明了共混溶劑策略在調(diào)控活性層形貌、提升太陽能電池性能方面的有效性。除了鄰二甲苯與二硫化碳共混溶劑體系，還有其他多種共混溶劑組合也被用于小分子/富勒烯太陽能電池活性層形貌的調(diào)控。氯仿與甲苯的共混溶劑，利用氯仿的快速揮發(fā)和甲苯的適中溶解性，調(diào)控給受體分子的聚集和相分離過程，改善活性層的形貌和性能。不同的共混溶劑體系具有各自的特點和適用范圍，在實際研究和應用中，需要根據(jù)具體的給受體材料和電池性能需求，選擇合適的共混溶劑組合，并優(yōu)化其比例，以實現(xiàn)對活性層多尺度形貌的精準調(diào)控，推動小分子/富勒烯太陽能電池的發(fā)展。3.4后處理工藝3.4.1熱退火處理熱退火處理是小分子/富勒烯太陽能電池制備過程中的重要后處理工藝之一，它對分子排列、結(jié)晶度和相分離等方面有著顯著影響，進而在活性層形貌和器件性能的調(diào)控中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在熱退火過程中，升高溫度能夠為小分子給體和富勒烯受體分子提供額外的能量，使其分子運動能力增強。這種分子運動能力的提升促進了分子間的重排和聚集。小分子給體和富勒烯受體分子會重新調(diào)整它們的相對位置和取向，以達到更穩(wěn)定的能量狀態(tài)。這種重排過程有助于形成更有序的分子排列結(jié)構(gòu)。當溫度升高時，小分子給體分子可能會通過π-π相互作用和范德華力等弱相互作用，形成更緊密、更有序的堆積結(jié)構(gòu)。這種有序的分子排列能夠增強分子間的電荷轉(zhuǎn)移能力，提高載流子遷移率。有序的分子排列還可以減少電荷傳輸過程中的能量障礙，降低電荷復合的幾率，從而提高電荷收集效率。熱退火處理對小分子給體和富勒烯受體的結(jié)晶度也有著重要影響。在一定的溫度范圍內(nèi)，熱退火能夠促進小分子給體和富勒烯受體的結(jié)晶。隨著溫度的升高，分子的熱運動加劇，分子更容易克服結(jié)晶過程中的能量障礙，從而形成更大尺寸的結(jié)晶區(qū)域。適當?shù)慕Y(jié)晶度可以提高材料的電學性能，增強電荷傳輸能力。過度結(jié)晶可能會導致相分離尺度過大，激子無法在擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面，從而增加激子復合的幾率，降低電荷產(chǎn)生效率。因此，控制熱退火的溫度和時間，以獲得合適的結(jié)晶度，對于優(yōu)化活性層形貌和提高器件性能至關(guān)重要?；钚詫拥南喾蛛x結(jié)構(gòu)在熱退火過程中也會發(fā)生顯著變化。熱退火可以促進給體和受體相的進一步分離和生長。在熱退火的作用下，給體和受體分子會根據(jù)它們的相互作用和溶解性差異，逐漸聚集形成不同的相區(qū)。通過控制熱退火的條件，可以調(diào)控相分離的尺寸、形狀和連通性。在合適的熱退火條件下，給體和受體相能夠形成雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有良好的相連續(xù)性和連通性，為激子的擴散和解離以及載流子的傳輸提供了高效路徑。合適的相分離尺寸能夠確保激子在擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面并發(fā)生解離，同時有利于電荷的快速傳輸。如果熱退火條件不當，可能會導致相分離尺度過大或過小，影響激子的擴散和解離以及載流子的傳輸，從而降低器件性能?；钚詫有蚊驳淖兓苯佑绊懼》肿?富勒烯太陽能電池的器件性能。通過熱退火處理形成的有序分子排列和合適的結(jié)晶度，能夠提高電荷傳輸效率，減少電荷復合損失，從而提高電池的短路電流密度和填充因子。優(yōu)化的相分離結(jié)構(gòu)則能夠增強激子的擴散和解離效率，提高電荷產(chǎn)生效率，進而提升電池的開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率。在一些研究中，對基于小分子給體和富勒烯受體的太陽能電池進行熱退火處理后，電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提升。通過在適當?shù)臏囟认逻M行熱退火處理，使活性層形成了更理想的形貌結(jié)構(gòu)，電池的短路電流密度和填充因子明顯提高，從而實現(xiàn)了更高的光電轉(zhuǎn)換效率。3.4.2溶劑退火處理溶劑退火處理作為小分子/富勒烯太陽能電池制備過程中的一種重要后處理工藝，在活性層形貌調(diào)控方面展現(xiàn)出獨特的作用機制和顯著效果。與熱退火處理相比，溶劑退火處理具有不同的運作機理，能夠在不改變分子結(jié)構(gòu)的情況下，對活性層的微觀和介觀形貌進行有效調(diào)控。溶劑退火處理是將制備好的活性層薄膜暴露在特定的溶劑蒸汽環(huán)境中，利用溶劑分子與活性層材料分子之間的相互作用，來促進分子的重排和相分離過程。在溶劑退火過程中，溶劑蒸汽分子能夠滲透到活性層薄膜內(nèi)部，與小分子給體和富勒烯受體分子相互作用。這種相互作用會使分子間的相互作用力發(fā)生改變，從而為分子的重排提供驅(qū)動力。溶劑分子的存在增加了分子的運動自由度，使小分子給體和富勒烯受體分子能夠在薄膜內(nèi)重新排列，以達到更穩(wěn)定的能量狀態(tài)。與熱退火通過升高溫度提供能量促進分子運動不同，溶劑退火主要是利用溶劑分子的滲透和相互作用來實現(xiàn)分子重排。在微觀尺度上，溶劑退火能夠調(diào)控小分子給體和富勒烯受體的分子排列和聚集行為。溶劑分子與活性層材料分子之間的相互作用可以改變分子間的距離和取向，促進形成更有序的分子堆積結(jié)構(gòu)。在基于小分子給體D和富勒烯受體A的體系中，當活性層薄膜暴露在合適的溶劑蒸汽中時，溶劑分子能夠與D和A分子形成弱相互作用，引導它們形成更緊密、更有序的分子排列。這種有序的分子排列有利于增強分子間的電荷轉(zhuǎn)移能力，提高載流子遷移率。溶劑退火還可以影響分子的結(jié)晶行為。通過調(diào)節(jié)溶劑蒸汽的濃度和處理時間，可以控制小分子給體和富勒烯受體的結(jié)晶速度和結(jié)晶尺寸。在一些情況下，溶劑退火能夠抑制過度結(jié)晶，使分子形成更均勻、精細的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，有利于電荷的傳輸和分離。在介觀尺度上，溶劑退火對活性層的相分離結(jié)構(gòu)有著重要影響。溶劑分子的滲透和相互作用能夠促進給體和受體相的分離和生長，調(diào)控相分離的尺寸、形狀和連通性。在溶劑退火過程中，溶劑分子優(yōu)先與給體或受體分子相互作用，導致它們在薄膜內(nèi)的分布發(fā)生變化，從而影響相分離的進程。合適的溶劑退火條件可以使給體和受體相形成更理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。溶劑分子的作用使得給體和受體相在納米尺度上相互交織，各自形成連續(xù)的通道，為激子的擴散和解離以及載流子的傳輸提供高效路徑。通過控制溶劑蒸汽的種類、濃度和處理時間，可以精確調(diào)控相分離的尺寸，使其與激子擴散距離相匹配，提高激子的解離效率。與熱退火處理相比，溶劑退火處理具有一些獨特的優(yōu)勢。溶劑退火處理在相對較低的溫度下進行，避免了高溫對材料結(jié)構(gòu)和性能的不利影響，尤其適用于對溫度敏感的材料體系。溶劑退火處理可以在不改變分子化學結(jié)構(gòu)的前提下，實現(xiàn)對活性層形貌的調(diào)控，這對于保持材料的固有性能非常重要。熱退火可能會導致分子結(jié)構(gòu)的變化或材料的降解，而溶劑退火則不存在這種風險。溶劑退火處理還具有操作簡便、成本較低等優(yōu)點，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。四、多尺度形貌調(diào)控對太陽能電池性能的影響4.1激子解離與電荷傳輸4.1.1形貌對激子解離效率的影響在小分子/富勒烯太陽能電池體系中，活性層的多尺度形貌對激子解離效率有著至關(guān)重要的影響。通過理論計算和實驗研究，能夠深入剖析不同形貌下激子解離率的變化規(guī)律，為提高太陽能電池性能提供理論依據(jù)。從理論計算的角度來看，利用量子化學計算方法可以模擬小分子給體與富勒烯受體之間的相互作用以及激子在給體-受體界面的解離過程。在基于密度泛函理論（DFT）的計算中，通過構(gòu)建小分子給體和富勒烯受體的分子模型，計算分子間的電荷轉(zhuǎn)移積分、能級差以及激子的結(jié)合能等參數(shù)，能夠預測激子在不同形貌下的解離效率。當小分子給體與富勒烯受體形成緊密的分子堆積時，分子間的電荷轉(zhuǎn)移積分增大，激子的結(jié)合能降低，有利于激子在給體-受體界面的解離。研究表明，當小分子給體的共軛結(jié)構(gòu)與富勒烯受體的π-電子云能夠充分重疊時，電荷轉(zhuǎn)移積分可增加20%-30%，激子結(jié)合能降低約0.1-0.2eV，從而顯著提高激子解離效率。在多尺度形貌中，晶相和共混相對激子解離有著不同的影響。晶相結(jié)構(gòu)通常具有較高的結(jié)晶度和有序的分子排列，這使得激子在晶相中的傳輸路徑相對固定，有利于激子向給體-受體界面擴散。然而，如果晶相尺寸過大，激子在擴散過程中可能會發(fā)生復合，降低激子解離效率。共混相則具有更復雜的分子排列和相互作用，雖然其電荷傳輸性能可能不如晶相，但共混相能夠提供更多的給體-受體界面，增加激子解離的機會。合適的共混相結(jié)構(gòu)可以使激子在較短的擴散距離內(nèi)到達界面并發(fā)生解離。通過優(yōu)化晶相和共混相的比例和結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)激子解離效率的最大化。在一些研究中，通過調(diào)控小分子給體和富勒烯受體的結(jié)晶行為，使活性層中晶相和共混相的比例達到1:3時，激子解離效率比未優(yōu)化前提高了約30%，從而顯著提升了太陽能電池的性能。實驗研究也為形貌對激子解離效率的影響提供了有力的證據(jù)。利用瞬態(tài)光致發(fā)光光譜（TRPL）、時間分辨光電流譜（TRPC）等技術(shù)，可以直接測量激子的壽命和解離動力學過程。通過對比不同形貌活性層的激子壽命和光電流響應，可以評估激子解離效率的差異。在基于小分子給體D和富勒烯受體A的太陽能電池中，采用熱退火處理調(diào)控活性層形貌后，TRPL測量結(jié)果表明，優(yōu)化后的活性層中激子壽命縮短了約50%，這意味著激子能夠更快地解離。TRPC測試也顯示，光電流響應增強，進一步證明了激子解離效率的提高。通過改變?nèi)軇┕こ?、添加劑等方法調(diào)控活性層形貌，也能觀察到類似的激子解離效率變化。使用共混溶劑策略制備的活性層，由于形成了更理想的相分離結(jié)構(gòu)，激子解離效率比單一溶劑制備的活性層提高了約20%。4.1.2電荷傳輸特性與形貌的關(guān)系活性層的形貌對電荷傳輸路徑、遷移率和復合損失有著深遠的影響，而通過形貌調(diào)控實現(xiàn)高效電荷傳輸是提高小分子/富勒烯太陽能電池性能的關(guān)鍵。在小分子/富勒烯太陽能電池中，電荷傳輸主要依賴于小分子給體和富勒烯受體相形成的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)為電荷傳輸提供了連續(xù)的通道，使電子和空穴能夠分別在富勒烯受體相和小分子給體相中快速傳輸。如果活性層的形貌不理想，如相分離尺度不均勻、相連續(xù)性差，電荷傳輸路徑會受到阻礙，導致電荷傳輸效率降低。當給體和受體相的相分離尺度過大時，電荷在傳輸過程中需要跨越較大的距離，容易發(fā)生復合，增加電荷傳輸?shù)膿p失。相反，相分離尺度過小可能會導致電荷傳輸通道狹窄，電荷遷移率降低。因此，優(yōu)化活性層的形貌，確保相分離尺度合適且相連續(xù)性良好，對于提高電荷傳輸效率至關(guān)重要?；钚詫拥男蚊策€會影響載流子的遷移率。在微觀尺度上，分子間的有序堆積和相互作用能夠增強分子間的電荷轉(zhuǎn)移能力，從而提高載流子遷移率。當小分子給體和富勒烯受體分子形成緊密且有序的堆積時，分子間的電荷轉(zhuǎn)移積分增大，載流子遷移率可得到顯著提升。研究表明，通過分子設(shè)計使小分子給體具有更好的平面性和共軛結(jié)構(gòu)，能夠與富勒烯受體形成更有序的分子堆積，載流子遷移率可提高1-2個數(shù)量級。在介觀尺度上，給體和受體相的連通性和結(jié)晶度也對載流子遷移率有著重要影響。良好的連通性能夠保證電荷傳輸?shù)倪B續(xù)性，而適當?shù)慕Y(jié)晶度可以提高材料的電學性能，增強電荷傳輸能力。如果給體和受體相的連通性差，電荷傳輸過程中會遭遇更多的能量障礙，導致載流子遷移率降低。電荷復合損失是影響電荷傳輸效率的另一個重要因素，而活性層的形貌對電荷復合損失有著顯著的調(diào)控作用。理想的活性層形貌能夠減少電荷復合的發(fā)生，提高電荷收集效率。在合適的形貌結(jié)構(gòu)下，電荷能夠快速傳輸?shù)诫姌O，減少在活性層內(nèi)的停留時間，從而降低電荷復合的幾率。當活性層中存在過多的缺陷或相分離不均勻時，電荷容易在這些區(qū)域積累，增加電荷復合的可能性。通過優(yōu)化活性層的形貌，如減少缺陷密度、改善相分離均勻性，可以有效地降低電荷復合損失。在一些研究中，通過溶劑退火處理改善活性層的形貌，使電荷復合損失降低了約40%，電荷收集效率得到顯著提高。為了實現(xiàn)高效電荷傳輸，需要綜合考慮活性層的多尺度形貌，從微觀到宏觀進行全面調(diào)控。在微觀尺度上，通過分子設(shè)計和后處理工藝優(yōu)化分子堆積和結(jié)晶行為；在介觀尺度上，精確控制相分離尺寸、形狀和連通性；在宏觀尺度上，確?；钚詫颖∧さ钠秸群途鶆蛐浴Ｍㄟ^這些綜合調(diào)控策略，可以構(gòu)建出有利于電荷傳輸?shù)幕钚詫有蚊玻岣咝》肿?富勒烯太陽能電池的性能。4.2光電轉(zhuǎn)換效率與穩(wěn)定性4.2.1多尺度形貌與光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)聯(lián)多尺度形貌與小分子/富勒烯太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)，不同的形貌調(diào)控策略能夠?qū)﹄姵氐母黜椥阅軈?shù)產(chǎn)生顯著影響，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率的提升。以中國科學院國家納米科學中心研究員魏志祥團隊的研究為例，他們通過在ZR1側(cè)基噻吩單元上引入硅氧烷基鏈，設(shè)計合成了三個具有不同表面張力的小分子給體（ZR1-C8，ZR-SiO和ZR-SiO-EH）。在這一研究中，通過給受體之間的表面張力差異來調(diào)節(jié)分子間相容性，其中ZR-SiO-EH:Y6共混薄膜表現(xiàn)出更好的納米級雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡形貌。這種優(yōu)異的形貌具有較小的相區(qū)尺寸和有序的分子堆積，這對于激子解離和電荷傳輸過程至關(guān)重要。較小的相區(qū)尺寸意味著激子需要擴散的距離更短，能夠在更短的時間內(nèi)到達給體-受體界面，從而提高激子解離效率。有序的分子堆積則增強了分子間的電荷轉(zhuǎn)移能力，為電荷傳輸提供了更高效的路徑，減少了電荷復合損失，保證了有效的電荷傳輸。有序的分子取向以及給受體之間減小的電子占據(jù)最高分子軌道（HOMO）的能級差將非輻射能量損失降低至0.2eV，從而實現(xiàn)了ASM-OSCs0.87V的高開路電壓。基于ZR-SiO-EH:Y6的器件表現(xiàn)出16.4%的高轉(zhuǎn)換效率。這一案例充分展示了通過優(yōu)化多尺度形貌，尤其是在微觀和介觀尺度上實現(xiàn)理想的結(jié)構(gòu)，能夠有效地提高激子解離效率、降低電荷復合損失、減少非輻射能量損失，進而提升開路電壓和短路電流密度等性能參數(shù)，最終實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率的顯著提升。除了上述案例，還有許多研究也證實了多尺度形貌與光電轉(zhuǎn)換效率之間的緊密聯(lián)系。通過熱退火處理調(diào)控活性層形貌，能夠促進分子的重排和結(jié)晶，形成更有序的微觀結(jié)構(gòu)和合適的相分離尺寸。在一些基于小分子給體和富勒烯受體的體系中，經(jīng)過適當?shù)臒嵬嘶鸷螅钚詫拥姆肿优帕懈佑行?，相分離結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，電池的短路電流密度和填充因子明顯提高，光電轉(zhuǎn)換效率得到顯著提升。合理的溶劑工程也能對多尺度形貌產(chǎn)生積極影響。使用共混溶劑策略制備的活性層，由于能夠精確調(diào)控相分離過程，形成更理想的互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使得電荷傳輸效率提高，激子解離效率增加，從而提升了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。4.2.2形貌調(diào)控對電池穩(wěn)定性的作用形貌調(diào)控在提升小分子/富勒烯太陽能電池穩(wěn)定性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是在改善光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性方面，具有顯著的效果。在光穩(wěn)定性方面，活性層薄膜的致密性是影響電池性能衰減的關(guān)鍵因素之一。通過形貌調(diào)控提高活性層薄膜的致密性，可以減少光生載流子在傳輸過程中的復合和陷阱捕獲，從而降低光致降解的風險，提高電池的光穩(wěn)定性。中國科學院國家納米科學中心研究員魏志祥團隊通過將小分子給體的端基烷基鏈從己基(MPhS-C6)縮短到乙基(MPhS-C2)，不僅在獲得緊密π-π堆積的同時降低了其結(jié)晶性對熱退火的敏感性，還提高了活性層薄膜的致密性。MPhS-C2由于短烷基鏈的致密性堆積特性，在較小相分離尺度下仍能保證有效電荷傳輸。這種致密的活性層結(jié)構(gòu)使得光生載流子能夠更快速、有效地傳輸?shù)诫姌O，減少了在活性層內(nèi)的停留時間，降低了光生載流子與薄膜中的缺陷或雜質(zhì)發(fā)生復合的概率，從而提高了電池在光照條件下的穩(wěn)定性。當使用BTP-eC9作為受體時，基于MPhS-C2：BTP-eC9的器件相較于MPhS-C6：BTP-eC9，在長期光照測試中，性能衰減明顯減緩，展現(xiàn)出更優(yōu)異的光穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性也是衡量太陽能電池性能的重要指標，形貌調(diào)控同樣對其有著重要影響。合適的形貌可以減少材料在受熱過程中的結(jié)構(gòu)變化和相分離的進一步發(fā)展，從而提高電池的熱穩(wěn)定性。熱退火處理在一定程度上能夠促進分子的有序排列和結(jié)晶，形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而，過度的熱退火可能導致分子結(jié)構(gòu)的變化或相分離的異常發(fā)展，反而降低電池的熱穩(wěn)定性。通過精確控制熱退火的溫度和時間，以及結(jié)合其他形貌調(diào)控手段，可以實現(xiàn)活性層形貌的優(yōu)化，提高電池的熱穩(wěn)定性。在一些研究中，采用熱退火和溶劑退火相結(jié)合的方法，先通過熱退火促進分子的初步重排和結(jié)晶，再利用溶劑退火進一步優(yōu)化分子排列和相分離結(jié)構(gòu)。這種綜合調(diào)控策略使得活性層在受熱時能夠保持更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，減少了因溫度變化引起的性能波動，提高了電池的熱穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，經(jīng)過這種綜合調(diào)控的電池相較于單一處理的電池，其性能衰退速度明顯降低，展現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性。五、多尺度形貌的表征技術(shù)與方法5.1顯微鏡技術(shù)5.1.1透射電子顯微鏡（TEM）透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope，TEM）在觀察小分子/富勒烯太陽能電池活性層微觀形貌和相分離結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用，為深入理解多尺度形貌提供了重要的微觀結(jié)構(gòu)信息。TEM的工作原理基于電子與物質(zhì)的相互作用。當高能電子束穿透樣品時，由于樣品不同區(qū)域?qū)﹄娮拥纳⑸淠芰Υ嬖诓町悾娮邮膹姸群拖辔粫l(fā)生變化。這些變化通過電磁透鏡的聚焦和放大作用，最終在熒光屏或探測器上形成樣品的圖像。在小分子/富勒烯太陽能電池活性層的研究中，Temu;能夠提供原子級別的分辨率，使得研究人員可以直接觀察到小分子給體和富勒烯受體分子的排列方式、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及它們之間的相互作用。在觀察活性層微觀形貌時，Temu;可以清晰地呈現(xiàn)小分子給體和富勒烯受體的分子堆積情況。通過高分辨率Temu;圖像，研究人員能夠觀察到分子間的距離、取向以及π-π相互作用等細節(jié)。在一些基于小分子給體和富勒烯受體的體系中，Temu;圖像顯示，當小分子給體具有良好的平面性和共軛結(jié)構(gòu)時，能夠與富勒烯受體形成緊密且有序的分子堆積。這種有序的分子堆積有利于電荷的傳輸，因為它能夠增強分子間的電荷轉(zhuǎn)移能力，減少電荷傳輸過程中的能量障礙。相反，無序的分子堆積可能導致電荷傳輸路徑的中斷，增加電荷復合的幾率。Temu;對于研究活性層的相分離結(jié)構(gòu)也具有重要意義。它可以直觀地展示給體和受體相的尺寸、形狀和分布情況。在小分子/富勒烯太陽能電池中，給體和受體相的相分離結(jié)構(gòu)對激子的擴散和解離以及載流子的傳輸有著關(guān)鍵影響。合適的相分離尺度能夠確保激子在擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面并發(fā)生解離，同時有利于電荷的快速傳輸。通過Temu;觀察，可以準確測量相分離的尺寸，分析相分離結(jié)構(gòu)的連通性和均勻性。在一些研究中，Temu;圖像顯示，通過溶劑工程或添加劑調(diào)控后，活性層中給體和受體相形成了更理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。給體和受體相在納米尺度上相互交織，各自形成連續(xù)的通道，為激子的擴散和解離以及載流子的傳輸提供了高效路徑。這種結(jié)構(gòu)的形成與制備過程中的參數(shù)密切相關(guān)，如溶劑的選擇、添加劑的種類和用量等。通過Temu;的觀察和分析，可以深入了解這些因素對相分離結(jié)構(gòu)的影響機制，為優(yōu)化活性層形貌提供指導。Temu;對于研究活性層的相分離結(jié)構(gòu)也具有重要意義。它可以直觀地展示給體和受體相的尺寸、形狀和分布情況。在小分子/富勒烯太陽能電池中，給體和受體相的相分離結(jié)構(gòu)對激子的擴散和解離以及載流子的傳輸有著關(guān)鍵影響。合適的相分離尺度能夠確保激子在擴散壽命內(nèi)到達給體-受體界面并發(fā)生解離，同時有利于電荷的快速傳輸。通過Temu;觀察，可以準確測量相分離的尺寸，分析相分離結(jié)構(gòu)的連通性和均勻性。在一些研究中，Temu;圖像顯示，通過溶劑工程或添加劑調(diào)控后，活性層中給體和受體相形成了更理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。給體和受體相在納米尺度上相互交織，各自形成連續(xù)的通道，為激子的擴散和解離以及載流子的傳輸提供了高效路徑。這種結(jié)構(gòu)的形成與制備過程中的參數(shù)密切相關(guān)，如溶劑的選擇、添加劑的種類和用量等。通過Temu;的觀察和分析，可以深入了解這些因素對相分離結(jié)構(gòu)的影響機制，為優(yōu)化活性層形貌提供指導。Temu;還可以與電子衍射技術(shù)相結(jié)合，進一步分析活性層的晶體結(jié)構(gòu)和取向。電子衍射可以提供關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息，如晶格常數(shù)、晶面間距等。通過選區(qū)電子衍射（SelectedAreaElectronDiffraction，SAED），可以對活性層中的特定區(qū)域進行衍射分析，確定該區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)和取向。這對于研究小分子給體和富勒烯受體的結(jié)晶行為以及它們在活性層中的分布具有重要意義。在一些體系中，通過SAED分析發(fā)現(xiàn)，小分子給體和富勒烯受體在活性層中形成了不同的結(jié)晶區(qū)域，且這些結(jié)晶區(qū)域的取向?qū)﹄姾蓚鬏斢兄匾绊憽Ｍㄟ^調(diào)控制備工藝，可以改變結(jié)晶區(qū)域的取向，從而優(yōu)化電荷傳輸性能。5.1.2原子力顯微鏡（AFM）原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope，AFM）在小分子/富勒烯太陽能電池活性層研究中具有獨特的優(yōu)勢，能夠?qū)钚詫颖砻嫘蚊埠痛植诙冗M行精確表征，為深入理解多尺度形貌提供重要的表面信息。AFM的工作原理基于微懸臂的彈性形變。當一個對微弱力具有極其敏感性的微小懸臂的一端固定，另一端上含有一個微小的針尖，進行測試時針尖通過與待測樣品的表面進行輕輕的碰觸，由于針尖尖端的原子與待測樣品表面的原子之間存在極其微弱的相互作用力，在掃描時通過維持這種相互作用力的恒定，帶有針尖的微懸臂與待測樣品表面在垂直于樣品的表面方向上進行起伏運動。最后通過光學檢測或者隧道電流檢測的方法，可觀測到掃描各點位置的變化，從而可以準確獲得樣品的表面形貌等信息。在小分子/富勒烯太陽能電池活性層的研究中，AFM能夠提供納米級別的分辨率，使其成為研究活性層表面微觀結(jié)構(gòu)的有力工具。在表征活性層表面形貌方面，AFM可以生成高分辨率的二維和三維形貌圖，直觀地展示活性層表面的起伏、結(jié)構(gòu)變化等信息。通過AFM的形貌成像，研究人員能夠清晰地觀察到活性層表面的顆粒大小、分布以及團聚情況。在一些研究中，AFM圖像顯示，經(jīng)過熱退火處理后，活性層表面的顆粒尺寸減小，分布更加均勻，這表明熱退火促進了分子的重排和聚集，改善了活性層的表面形貌。通過溶劑退火處理，活性層表面的粗糙度降低，形成了更平滑的表面，這有利于減少光的散射，提高光的利用效率。AFM還能夠測量活性層薄膜的粗糙度，這對于評估活性層的質(zhì)量和性能具有重要意義。通過數(shù)據(jù)分析軟件，AFM可以得到測定區(qū)域內(nèi)常用的表征粗糙度的參數(shù)，如表面平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq。這些參數(shù)能夠定量描述活性層表面的粗糙程度，為薄膜的質(zhì)量控制和性能優(yōu)化提供重要參考。在小分子/富勒烯太陽能電池中，活性層薄膜的粗糙度會影響電荷的傳輸和收集。粗糙的表面可能會導致電荷傳輸路徑的中斷，增加電荷復合的幾率。通過優(yōu)化制備工藝，如調(diào)整溶劑的揮發(fā)速度、添加表面活性劑等，可以降低活性層薄膜的粗糙度，提高電荷傳輸效率。除了表面形貌和粗糙度的表征，AFM在研究分子堆積和相分離尺度方面也具有重要應用。通過相圖分析，AFM可以提供關(guān)于活性層表面力學信息的綜合反映，表面的