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  有機太陽電池(OSCs)作為一種富有光明前景的可再生太陽能利用方法，因其重量輕、靈活性好、成本低等優(yōu)勢受到學術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。此外，它在半透明和可穿戴中也表現(xiàn)出巨大的應用前景。隨著材料合成、界面工程、活性層形貌控制等方面研究的不斷深入，基于非富勒烯受體的OSCs的效率飛速發(fā)展。然而，在旋涂工藝制備的OSCs過程中，活性層薄膜的可擴展性較差，導致小面積器件與大面積模組之間的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)差異很大。此外，大多數(shù)高效OSCs使用的是有害的鹵代有機溶劑，如氯苯(CB)和氯仿(CF)，對人類健康和環(huán)境構(gòu)成較大威脅。這也是其工業(yè)化生產(chǎn)的最大障礙之一。因此，從實驗室規(guī)模的小面積器件到用綠色溶劑處理的工業(yè)規(guī)模模組的過渡是實際應用的一個關(guān)鍵性挑戰(zhàn)。

  針對上述挑戰(zhàn)，南昌大學/江西師范大學陳義旺教授和胡笑添研究員團隊將采用剪切沖量策略對非鹵代溶劑（鄰二甲苯，o-XY）處理的活性層薄膜進行形貌微調(diào)，通過抑制給受體材料的過度聚集成功印刷（半月板刮涂，MGC）制備性能優(yōu)異的大面積有機太陽電池器件及模組。首先，通過改變旋涂時間與MGC速度控制成膜過程中所受到的剪切沖量，以優(yōu)化活性層薄膜形貌。其次，通過對剪切沖量的定量計算，驗證了該策略的普適性及科學性，解釋了活性層薄膜的形貌演變過程，建立了剪切沖量、活性層形貌以及光電性能之間的關(guān)系。通過對剪切沖量的定性分析，確定了MGC工藝制備大面積均勻化薄膜的臨界條件。總之，剪切沖量策略通過抑制給受體的聚集，克服了大面積OSCs的效率損失，并擴展到各種光電器件的相關(guān)工藝制備中。為解決大面積薄膜均質(zhì)性問題提供了一個完整的設計理念。

圖1 （a）旋涂、MGC、狹縫涂覆工藝示意圖及相應的給受體材料在活性層膜中的分布示意圖。（b）PM6、Y6和BTP-eC9的化學結(jié)構(gòu)式。（c）在不同剪切沖量條件下，旋涂和MGC工藝制備器件的J-V曲線。

  通過對活性層薄膜形貌的分析，和對成膜過程中的剪切沖量的計算，發(fā)現(xiàn)MGC工藝有較大的剪切沖量，并且剪切沖量有利于抑制給受體材料的過度聚集和相分離現(xiàn)象，提高活性層薄膜的結(jié)晶性，減少電荷的復合，從而提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，基于PM6:Y6體系小面積（0.04 cm²）及大面積（1 cm²）OSCs器件的最高光電轉(zhuǎn)換效率可分別達到15.10%和13.66%�；谝陨戏治鼋⒘思羟袥_量、活性層形貌以及光電性能之間的關(guān)系。更重要的是，通過對剪切沖量的定性研究，確定了大面積印刷均質(zhì)化的臨界條件，為工業(yè)化生產(chǎn)提出了新的設計理念。

圖2 旋涂和MGC工藝條件下不同剪切沖量的（a-d）AFM，（e-h）TEM以及（i-l）GIWAXS圖。

圖3 （a）不同剪切沖量條件下活性層薄膜中給受體的分布示意圖。（b）不同制備工藝下，活性層薄膜(25 cm²)的實物圖片。（c）不同制備工藝條件下所制備的大面積(25 cm²)薄膜的UV-vis吸收強度分布。（d）MGC工藝制備的活性層膜的均勻化條件。

  為了進一步驗證剪切沖量策略在實際應用中的作用，通過制備了基于PM6:BTP-eC9體系小面積（0.04 cm²）、大面積（1 cm²）剛性及柔性OSCs器件，進行了普適性研究，其最高光電轉(zhuǎn)換效率分別達到17.15%、15.50%以及13.26%。此外，為了進一步實現(xiàn)剪切沖量策略在制備大面積活性層薄膜上的應用，印刷制備了25cm²的大面積柔性太陽電池模組，其光電轉(zhuǎn)換效率達到11.29%�？傊�，剪切沖量策略有助于優(yōu)化非鹵溶劑（o-XY）處理的活性層薄膜的納米結(jié)構(gòu)，有效地開辟了有機光電器件大面積制備的新理念。

圖4 （a）PM6:Y6的大面積(1 cm²)器件的J-V曲線。（b）不同制備工藝下，基于PM6:Y6 OSCs的PCE分布。（c）不同制備工藝下器件的PCE損失率隨面積的變化。（d）PM6:BTP-eC9體系小面積(0.04 cm²)器件的J-V曲線。（e）不同制備工藝下，基于PM6:BTP-eC9 OSCs的PCE分布。（f）PM6:BTP-eC9體系大面積剛性及柔性器件的J-V曲線。（g）柔性模組卷對卷工藝制備過程圖。（h）柔性模組的實物照片。(有效面積為14.63 cm²)。（i）使用卷對卷工藝制備PM6:BTP-eC9柔性模組的J-V曲線。

  以上相關(guān)成果以“A General Enlarging Shear Impulse Approach to Green Printing Large-area and Efficient Organic Photovoltaics”為題發(fā)表在《Energy & Environmental Science》上。論文的第一作者為南昌大學物理與材料學院碩士生李豪杰，共同第一作者為南昌大學化學化工學院博士生劉思奇。通訊作者為南昌大學/江西師范大學陳義旺教授，共同通訊作者為南昌大學胡笑添研究員和天津大學葉龍教授。

  上述研究工作得到國家自然科學基金、江西省“雙千計劃”科技創(chuàng)新高端人才項目，以及北京大學長三角光電科學研究院和上海同步輻射中心等單位的支持。