山東大學張茂杰教授團隊在有機太陽能電池活性層形貌調控領域取得新進展

導讀

近日，山東大學化學與化工學院國家膠體材料工程技術研究中心張茂杰教授團隊在無添加劑有機太陽能電池領域取得突破性進展，創新性提出基于分子量調控聚集動力學的無添加劑形貌調控新策略，成功實現無添加劑條件下活性層形貌的精準優化，為高效、穩定、可規模化有機太陽能電池研發提供全新技術路徑。相關成果以“Molecular-Weight-Regulated Aggregation Kinetics Enables Additive-Free Morphology Control for High-Efficiency and Scalable Organic Solar Cells”為題，發表于國際期刊Advanced Functional Materials（影響因子:19）。論文通訊作者為張茂杰教授、國霞教授。博士研究生孫逢博，吳敬男為論文共同第一作者，山東大學為論文第一單位。

有機太陽能電池憑借輕質、柔性、可低成本規模化制備等獨特優勢，成為下一代可持續光伏技術的重要發展方向。然而，無添加劑條件下同時實現高效率與長期穩定性，一直是制約其產業化的核心難題。傳統高效器件高度依賴加工添加劑，其選型與濃度受材料化學結構嚴格限制，需大量試錯迭代；微小配比波動會大幅提升加工復雜度，添加劑殘留更會引發器件性能衰減、穩定性下降，嚴重阻礙商業轉化進程。因此，在無添加劑體系下實現活性層形貌的精準可控，成為領域內亟待突破的關鍵科學問題。針對這一行業痛點，團隊已開展系統性研究并取得深厚成果。此前，團隊提出聚合物工程策略，利用聚合物成膜過程中的成核效應與結構導向作用，促進受體材料 L8-BO 有序堆積，借助剛性骨架引導受體相外延生長，構建連續纖維網絡與均勻相分離結構，同步強化激子解離與電荷傳輸平衡，實現無添加劑有機太陽能電池效率與穩定性雙提升，相關工作發表于國際期刊Energy & Environmental Science（影響因子 31，Energy Environ. Sci., 2025,18, 7071-7081）。

圖1. 光伏材料的化學結構、形貌變化示意圖、最佳器件效率和大面積模組器件效率。

本次最新研究延續團隊研究方向，在前序工作的基礎上實現了技術策略的進一步創新，其核心成果表明：聚合物共混是一種高效且無需添加劑的有機太陽能電池成膜形貌調控策略。通過系統闡明D18分子量對聚合物聚集能壘及固化時序的調控機制，研究發現低分子量與高分子量給體的性能局限源于其與受體組分的聚集動力學不匹配。基于這一動力學認知，團隊開發了分子量共混策略，無需依賴任何加工添加劑即可精準調控給體聚集行為。低分子量與高分子量D18的共存拓寬并溫和調節了給體固化過程，形成更優的給受體排列及電荷輸運條件，最終基于D18-mix的器件實現了電荷輸運平衡、復合損耗抑制及電荷提取效率提升，光電轉換效率（PCE）高達20.0%。值得注意的是，這種動力學優化路徑對分子量變化具有高度耐受性，在較寬的D18-L:D18-H共混比例范圍內，器件效率均可維持在19%以上。

更具產業化價值的是，該本征動力學調控策略完美兼容先進器件結構與規模化制備：三元體系 D18-mix:L8-BO:AITC 效率進一步攀升至20.5%；有效面積達17.14 cm2的大面積模組，效率仍高達17.2%，充分驗證了策略的高穩定性與強可擴展性。該成果無需增加加工復雜度，可高效利用不同分子量聚合物批次，顯著緩解材料批次差異難題，為高性能有機太陽能電池商業化落地提供通用、可規模化的全新解決方案，推動高性能有機太陽能電池商業化進程提供了通用且可規模化的解決方案，為相關領域研發奠定了重要基礎。

相關研究成果得到山東省自然科學基金、山東省泰山學者項目、山東大學杰出中青年學者和山東大學齊魯青年學者計劃的資助和支持。山東大學結構成分與物性測量平臺為材料結構表征提供了重要支持。

來源：山東大學