在前期的研究工作中，国家纳米科学中心魏志祥研究员和张建齐研究员等发现，在大面积有机光伏器件的制备过程中，微小的分子结构变化会导致剧烈的成膜过程变化。在含卤溶剂氯仿中能够取得相似光电转化效率（~18%）的两个非富勒烯受体Qx-1和Qx-2，在邻二甲苯中却有巨大的反差（13.7 % 与0.65%），而两个分子在成膜的结晶时间上存在显著的差异（Adv. Mater.35, 10, 2209030）。
为了探究分子结构在大面积有机光伏器件制备的成膜动力学中的影响，研究团队选择了三个烷基链存在细微区别的Y系列同系物分子（Y6, N3, L8-BO）与PM6共混，采用狭缝涂布法制备大面积有机光伏器件。该工作采用原位吸收光谱、原子力显微镜以及掠入射广角X射线散射，并结合分子动力学模拟的结果解析成膜动力学机制。原位光谱表征表明三种结构相似的受体分子在成膜时吸收光谱演化趋势存在显著差异，呈现出“生长”和“移动”的二元模式（图1）。后续的多尺度结构分析表明，三种不同的分子呈现出不同的聚集形态特征，且分子堆积模式存在明显区别。从分子动力学中提取出的星型三聚体及其进一步组装形成的聚集体，其特征能够同时体现“生长”模式的吸收光谱演化以及符合掠入射广角X射线散射结果。基于以上实验和模拟结果，提出了聚集控制的大面积有机光伏器件制备成膜动力学（图2）。该动力学模型指出：分子烷基链与主骨架相互竞争导致分子聚集类型的变化，进而逐层级地决定了有机光伏器件的活性层形貌及器件性能。聚集态的分布由分子结构本征决定，但也能通过浓度、溶液温度和给体-受体分子的相互作用进行调制，为有机光伏材料的分子设计及加工工艺调整提供了重要参考。
相关研究成果以Concretized structural evolution supported assembly-controlled film-forming kinetics in slot-die coated organic photovoltaics为题，发表在Nature Communications（Nat. Commun. 2023, 14, 6312.）上。国家纳米科学中心博士生张浩、田晨阳为文章的共同第一作者，国家纳米科学中心张建齐研究员和魏志祥研究员为文章通讯作者。该成果得到了国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导专项项目的支持。
图 1 原位光谱表征结果。a-c)原位光谱瀑布图。d-f)光谱叠图。g-i)生长-移动模型拟合光谱演化结果。
图 2 聚集控制的大面积有机光伏器件制备的成膜动力学图解。
