昌大陳義旺Nat. Commun.：通過增強拉普拉斯壓力梯度實現(xiàn)高性能大面積有機光伏器件的可持續(xù)環(huán)保印刷

主要內(nèi)容

在綠色印刷工藝領(lǐng)域，咖啡環(huán)效應(yīng)一直是制約有機光伏器件實現(xiàn)規(guī)?；圃炫c實際應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。南昌大學(xué)陳義旺教授和胡笑添教授帶領(lǐng)其團隊，針對這一問題展開了深入探索。團隊引入了一種含氟流變調(diào)節(jié)劑——1H,1H,10H,10H - 全氟 - 1,10 - 癸二醇（簡稱FDDO），用于精準(zhǔn)調(diào)控活性層溶液的流變特性以及印刷過程中氣/液受限區(qū)的形態(tài)。

該流變調(diào)節(jié)劑沿印刷方向所產(chǎn)生的拉普拉斯壓力梯度，能夠顯著抑制咖啡環(huán)效應(yīng)，進(jìn)而有助于形成高度均勻的大面積活性層薄膜。研究團隊對氣/液受限區(qū)進(jìn)行了定性與定量分析，深入剖析了拉普拉斯壓力梯度的作用機制。同時，借助流變調(diào)節(jié)劑對印刷流體動力學(xué)的有效調(diào)控，成功獲得了具有高結(jié)晶度和適度相分離的清晰纖維網(wǎng)絡(luò)狀活性層形貌。

基于此，基于PM6:BTP - eC9:L8 - BO（鄰二甲苯）體系的小面積（0.04 cm2）器件實現(xiàn)了20.49%的光電轉(zhuǎn)換效率。尤為重要的是，規(guī)?；M件（16.94 cm2）獲得了17.85%的高效率，且效率保持率高達(dá)87.1%，充分彰顯了該策略在規(guī)?；a(chǎn)中的顯著潛力，有效拓寬了大規(guī)模有機光伏器件綠色印刷的工藝窗口和應(yīng)用范疇。

在刮刀涂布工藝方面，陳義旺教授和胡笑添教授團隊通過摻雜流變調(diào)節(jié)劑FDDO，對活性層溶液內(nèi)部的流體行為進(jìn)行了優(yōu)化，從而獲得了具有增強面朝上取向（face - on orientation）和高結(jié)晶度的大面積均勻薄膜。從印刷流體力學(xué)的視角來看，與對照溶液相比，經(jīng)FDDO優(yōu)化的溶液沿印刷方向的拉普拉斯壓力梯度增大了4.8倍，這直接抑制了溶質(zhì)向邊緣的移動。減少向三相線移動的小分子數(shù)量，有利于抑制咖啡環(huán)效應(yīng)（CRE）。此外，溶液內(nèi)部增強的驅(qū)動力以及印刷后經(jīng)FDDO優(yōu)化的氣/液受限區(qū)內(nèi)增強的垂直方向分力，共同推動了聚合物的結(jié)晶。FDDO的引入還增強了PM6的結(jié)晶度和面朝上取向，有利于形成高純度結(jié)晶相和適宜的相分離，進(jìn)而促進(jìn)激子解離和電荷傳輸。因此，拉普拉斯壓力梯度的作用有效抑制了活性層成分的不均勻分布，為制備高質(zhì)量的大面積活性層薄膜提供了有力保障。

另外，基于PM6:BTP - eC9體系，當(dāng)器件面積從0.04 cm2擴大至16.94 cm2時，有機太陽能電池（OSCs）的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）從18.66%下降到16.55%，但仍保持高達(dá)88.7%的PCE保持率。該策略在PM6:BTP - eC9:L8 - BO體系中的成功應(yīng)用，進(jìn)一步驗證了其普適性。經(jīng)FDDO優(yōu)化的小面積（0.04 cm2）、大面積（1 cm2）器件和組件（25 cm2）分別實現(xiàn)了20.49%、19.32%和17.85%的**PCE。由于FDDO與活性層中的光伏材料無相互作用，且可被乙醇完全洗脫，因此它在多種不同的活性層溶液中均表現(xiàn)出良好的性能，其普適性也通過在多種體系中的成功應(yīng)用得到了充分證實。

在**功率點（MPP）測試條件下，經(jīng)FDDO優(yōu)化的器件展現(xiàn)出優(yōu)異的光穩(wěn)定性，實現(xiàn)了986小時的T??壽命。同時，該器件在85℃和85%相對濕度（RH%）條件下連續(xù)老化20天后，仍能保持近60%的初始效率。本研究所提出的策略旨在通過調(diào)節(jié)印刷過程中的流變行為來改善活性層的薄膜均勻性，該方法有望為大面積有機光伏器件的工業(yè)化生產(chǎn)拓寬工藝窗口，推動有機光伏技術(shù)邁向新的發(fā)展階段。

文獻(xiàn)信息

Sustainable eco-friendly printing of high-performance large-area organic photovoltaics via enhanced Laplace pressure gradient

Siqi Liu, Hanlin Wang, Yongting Cui, Shumin Zeng, Chunlong Sun, Haojie Li, Hongxiang Li, Long Ye, Hao Yuan, Haiming Zhu, Jinyang Yu, Hongzheng Chen, Xiaotian Hu & Yiwang Chen

https://www.nature.com/articles/s41467-025-63530-y

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