“我们开发出新型非对称构型的工艺辅助固体及非卤素溶剂共混的形貌调控策略，实现了有机活性层内部互穿网络状微纳形貌的精细调节，器件效率大幅提升，对于有机太阳能电池的产业化应用，将具有明显的推动作用。”该校材料科学与工程学院宋欣副教授说。
近年来，有机太阳电池因其具有质量轻、成本低、可溶液加工等优点，在物联网、建筑一体化等应用领域受到广泛关注。
在该校材料科学与工程学院朱卫国教授看来，通常人们更多地以晶硅等无机材料为基础制备太阳能电池。但是这种电池生产存在工艺复杂、成本高、能耗大、污染重等弊端。
因此，能否找到一种成本低、效率高、柔性强、环境友好的新型有机材料研制出新型太阳能电池,成为各国科学家孜孜以求的目标。
“有机太阳能电池以地球上最丰富的碳材料为基本原料,凭借质轻、柔性及易于大面积印刷制造等优点成为新一代光伏技术的重要发展方向。”宋欣说。
宋欣介绍，目前，有机太阳能电池多采用“本体异质结”型器件结构，其核心部件是由给体和受体材料共混而成的中间活性层。要想获得高效率光伏器件，活性层给/受体材料能级吸收的匹配互补、纳米尺度的互穿网络形貌，以及载流子传输平衡至关重要。
在朱卫国看来，目前，大多数高性能有机太阳能电池是使用毒性较大的卤化有机溶剂制成，如氯仿、氯苯和1,2-二氯苯等，对人类健康和自然环境都有不同程度的破坏作用，利用非卤化溶剂取代卤化溶剂制备有机太阳能电池是一个重要选项。
同时，为实现有机太阳能电池水平及垂直方向相分离尺度的协同调控，提高器件的能量转换效率，通常是在光活性层引入具有对称构象的可挥发性固体。
然而，由于其各向同性分子堆积和弱偶极相互作用，使得垂直方向的给受体组分分布杂乱无章，不利于激子分离和电荷提取，影响光伏性能的进一步提升。
因此，有效解决相应器件的光伏转换效率低，是推动有机太阳能电池产业化应用的关键。
“近年来，针对有机太阳能电池形貌极难调控这一共性重大难题，在国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、常州大学科研启动基金的支持下，我们组成联合攻关团队，集中力量系统开展有机太阳能电池形貌调控策略方面的研究，在这一领域加速取得一系列关键原创性研究成果。”宋欣说。
该科研团队从不同非卤素溶剂对给受体的溶解性差异入手，利用溶剂共混策略精细调控给受体的互溶特性及相应的相分离尺度，解决了基于非卤素溶剂器件的能量转换效率低的科学难题，最高效率达到17.5%。这是目前基于非卤素溶剂加工的有机太阳能电池最高效率之一。
宋欣还介绍，另一个重大原创性成果体现在，科研团队采取非对称构型的工艺辅助固体策略，实现“一箭双雕”：一是精细调控Y系列受体的聚集态行为;二是可控形成给受体多级空间相分离尺度。结果显示，利用PAS策略，PM6:L8-BO的器件光电转换效率达到18.5%，远高于无PAS处理的对照器件15.0%，并在活性层厚度达到300纳米时，器件效率仍然能保持在17.0%左右。
相关专家认为，今后，通过环境友好型工作溶剂及工艺辅助固体策略，可以利用低成本溶液制备工艺，无需在惰性气体保护条件下，实现连续、大面积、高效率的有机太阳能电池的可控制备，未来有望应用于建筑一体化、可穿戴电子设备、便携式能源系统和航空航天领域。
(刘博供图)
(责任编辑：韩梦晨)
