有机光伏薄膜在非平衡态下结晶与相分离过程的竞争与耦合

有机光伏薄膜活性层形貌是提升器件能量转换效率的重要因素，多维度、多层次对有机光伏薄膜形貌进行优化是本领域研究的重要组成部分。为了制备更高效率的器件，除了在制膜过程中对形貌进行优化外，在薄膜后续加工处理中对形貌也需要进行进一步优化。由于有机光伏材料自身结构的特异性以及在成膜过程中典型的非平衡态特点，高分子科学中常用的基于Flory-Huggins理论的平衡态相分离相图在该体系中的适用性不高。目前有机光伏领域亟需一个综合且通用的模型来描述在非平衡态下的活性层形貌转变以及转变对于器件性能的影响，以加深领域内对于形貌演变的理解及后续通过形貌优化及形貌锁定来提高器件的效率及稳定性。针对这个关键科学问题，项目团队设计与开发了基于同步辐射原位退火形貌动力学演变的研究。通过原位与静态的同步辐射X射线散射，结合DSC等热分析手段，系统地研究了四个具有代表性的基于富勒烯的有机小分子体系在热退火过程中的形貌演变过程，发现结晶与相分离的耦合与竞争对多尺度形貌演变、相纯度和界面取向等有重要的影响，同时在此基础上提出了一个统一的基于非平衡态热力学相图的用于解释形貌转变的模型，相关成果发表在Nature Communications上，题目为“The coupling and competition of crystallization and
phase separation, correlating thermodynamics and kinetics in OPV morphology and performances”