体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSCs）因其独特的优势，可以通过溶液处理涂层技术制造柔性和卷对卷器件而备受瞩目。得益于非富勒烯受体（NFAs）的快速发展，有机太阳能电池（OSCs）的光电转换效率（PCE）取得了巨大进展。尤其是Y6系列NFAs使得单结BHJ OSCs的效率成功突破17-18%。然而，在实验室旋涂优化中，给受体在共混过程中BHJ光活性层的形态演变非常复杂，需要微调和平衡处理条件，如给受体量比，处理溶剂和添加剂、热退火以及溶剂退火等。因此，为了实现最佳电荷分离和电荷传输，相分离和相纯度之间的平衡仍然极具挑战性。BHJ OSCs的性能强烈依赖于相分离，相分离与给受体共混物的相容性和溶解度密切相关，因此限制了处理溶剂的选择，使用非卤化低毒溶剂的BHJ OSCs的效率仍然落后于卤化溶剂如氯苯等处理的器件。同时，由于光伏材料的短扩散长度和非晶态特性，一旦BHJ膜增厚，电荷传输路径就会受阻，这是由于给受体共混区的陷阱密度增加，电极附近的相分离不利。因此，在较厚的BHJ活性层中无法很好地保持填充因子（FF），最终导致相应OSCs的性能下降。此外，当将涂层工艺转移到叶片涂层时，BHJ形态调节变得更加复杂。在叶片涂层过程中，给受体共混物的缓慢干燥会产生非常不同的结晶行为和混合动力学，导致完全不同的相分离形态，从而导致器件性能的显著变化。

历史性的技术进步促使科研人员努力将可控梯度概念与BHJ相结合通过顺序沉积（SD）方法实现梯度BHJ（G-BHJ）。因此，香港理工大学李刚教授课题组基于PM6:BTP-eC9的NFA OSCs体系，展示了一种简单而有效的G-BHJ形成策略。研究人员利用深度剖面X射线光电子能谱（DP-XPS）技术，从邻二甲苯（XY）和氯仿（CF）两种溶剂中获得了最佳的G-BHJ薄膜，并对其进行了定量研究。研究结果表明，经CF和XY处理的最佳旋涂G-BHJ OSCs可分别获得17.54%和17.48%的高PCE。特别是，基于XY的G-BHJ OSCs具有26.65 mA cm-2的显著短路电流密度（JSC） 和0.781的FF，是目前非卤化溶剂处理的二元OSCs最高值之一。

图1 材料结构、光电特性和垂直成分分布

图2 器件的光伏性能

深度剖面X射线光电子能谱（DPXPS）角度相关掠入射X射线衍射（GI-XRD）技术使聚合物/NFA组成结晶度梯度分布有利于电荷传输，并实现出色的厚OSCs PCE（300 nm时为16.25%，500 nm时为14.37%），是报告的最高值之一。此外，非卤化溶剂使G-BHJ OSCs通过露天叶片涂层实现，并实现了创纪录的16.77%的PCE。叶片涂层的G-BHJ具有截然不同的D-A结晶动力学，这抑制了过度聚集导致BHJ中出现不利的相分离。所有这些使G-BHJ为制作高效、环保和战略友好的OSCs成为可能。

图3 装置性能和原位吸收特性

相关研究成果现已发表在国际顶级学术期刊《Nature Communications》上，题为“Graded bulk-heterojunction enables 17% binary organic solar cells via nonhalogenated open air coating”。

参考文献：

Zhang, Y., Liu, K., Huang, J. et al. Graded bulk-heterojunction enables 17% binary organic solar cells via nonhalogenated open air coating. Nat Commun 12, 4815 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25148-8