论文概览

传统有机太阳能电池(OSCs）为实现高效率，常使用卤化溶剂（如氯仿、氯苯）处理活性层，但其毒性和环境残留限制了工业化应用。无卤溶剂（如邻二甲苯）虽环保，却因分子过度聚集和不利相分离导致效率低下。针对这一问题，北航孙艳明团队提出了一种创新的反溶剂（AS）策略，通过精准引入甲醇作为正交溶剂，调控成膜动力学，显著优化相分离形貌，最终实现了20.51%的光电转换效率（认证效率20.12%），并成功制备出大面积模块（17.06 cm²）效率达17.23%。该成果以"Over 20.5% Efficiency of Halogen‐Free Solvent‐Processed Organic Solar Cells Achieved by Anti‐Solvent Strategy"为题发表于期刊Advanced Materials。

技术亮点

1. 成膜动力学调控：在旋涂过程中精准于第6秒滴加甲醇，将分子聚集时间从3.4秒缩短至0.5秒，有效抑制过度聚集。

2. 相分离优化：AS处理使受体聚集域尺寸从27.8 nm减小至20.5 nm，形成纤维状互穿网络，促进激子解离与电荷传输。

3. 大面积兼容性：将滴涂法拓展为甲醇浸泡技术，有效抑制咖啡环效应，适用于旋涂、刮涂等多种工艺，推动产业化进程。

研究意义

✅效率突破：PM6:D18:L8BO-X体系在无卤溶剂中实现20.51%效率，为当前最高水平之一。

✅优异的稳定性：AS器件在最大功率点追踪和80°C热老化下表现出卓越的光稳定性与热稳定性。

✅优异的普适性：该策略在多种材料体系(如PM6:BTP-eC9)和溶剂中均有效，具备广泛适用性。

✅产业化前景：17.23%的大面积模块效率为OSCs的商业化铺平道路。

深度精读

图1：溶液调控成膜机制

该图对比了传统溶剂(o-二甲苯)与反溶剂(甲醇)处理的活性层成膜机制差异。通过示意图和吸收光谱分析，甲醇作为反溶剂能加速材料沉淀，抑制分子过度聚集，优化相分离形貌。图中还展示了关键材料PM6、D18和L8BO-X的分子结构与能级排列，为后续器件性能提升奠定基础。甲醇处理的薄膜吸收系数显著提高，证明其更高效的激子生成能力。

图2：器件性能突破

该图证实反溶剂策略使PM6:D18:L8BO-X基器件效率突破20.51%，创无卤溶剂处理OSCs纪录。J-V曲线显示开路电压(0.904V)、短路电流(27.79mA/cm²)和填充因子(81.6%)同步提升，EQE光谱响应增强印证了光电流改善。载流子迁移率测试表明反溶剂处理平衡了空穴/电子传输，光强依赖性分析揭示其显著抑制双分子复合。

图3：激子动力学解析

瞬态吸收光谱揭示了反溶剂处理对激子行为的调控机制。800nm泵浦光激发下，甲醇处理的薄膜表现出更快的空穴转移动力学(τ₁=0.38ps)，供体基态漂白信号(GSB)提前出现，受体GSB衰减加速。双指数拟合显示激子解离寿命(τ₁)和扩散寿命(τ₂)分别缩短至0.38ps和2.14ps，证明反溶剂处理优化了给体/受体界面电荷分离效率。

图4：原位结晶过程追踪

原位吸收光谱实时捕捉了薄膜结晶动态：传统o-二甲苯处理需3.4秒完成分子聚集(吸收峰红移至789nm)，而反溶剂介入将聚集时间压缩至0.5秒(峰位蓝移至784nm)。GISAXS分析显示相区尺寸从27.8nm缩减至20.5nm，GIWAXS证实(100)晶面间距从21.67Å降至21.01Å，π-π堆叠距离从3.71Å优化至3.70Å，形成更紧密的face-on取向晶体结构。

图5：三维形貌精准调控

AFM和光诱导力显微镜(PiFM)显示反溶剂处理使纤维状网络结构更精细(表面粗糙度Rq从1.372nm降至1.134nm)。深度依赖吸收谱证实L8BO-X在阳极侧浓度从56.1%降至52.4%，抑制了受体过度聚集。激子生成速率模拟表明反溶剂薄膜的激子生成中心向活性层中部迁移(从68nm移至60nm)，缩短电荷提取距离，减少复合损失。

图6：大面积模块制备

甲醇浸泡技术将反溶剂策略拓展至大面积制备，17.06cm²模块效率达17.23%。插图对比显示浸泡处理有效抑制"咖啡环效应"，刀刮涂布器件效率从17.69%提升至18.85%。性能统计表明从小面积(0.1cm²)到模块(17.6cm²)的效率损失从12.3%降至6.1%，验证了该策略的规模化应用潜力，创无卤溶剂处理OSC模块效率纪录。

结论展望

本研究通过创新的反溶剂策略，成功解决了无卤溶剂加工中分子过度聚集与相分离过大的难题，实现了高效率、高稳定性与大面积加工的协同突破。该策略兼具高效性与普适性，为有机太阳能电池的环保化、产业化提供了切实可行的技术路径。

文献来源

Duan, X., Zhang, J., Kong, J., Song, B., Qiao, J., Jee, M.H., Deng, J., Li, W., Woo, H.Y., Hao, X., Lu, G., Song, J., Sun, Y. Over 20.5% Efficiency of Halogen‐Free Solvent‐Processed Organic Solar Cells Achieved by Anti‐Solvent Strategy.Adv. Mater. 2025. e14076.https://doi.org/10.1002/adma.202514076