氯化调控的聚集与薄膜形成动力学助力廉价线性共轭聚合物实现高效率有机太阳能电池

为什么更便宜的太阳能电池很重要

太阳能电池的性能每年都在提升，但许多高性能设计仍依赖复杂且昂贵的材料。本研究处理了一个关键问题：能否在不牺牲性能的情况下，用更简单、更便宜的塑料材料制造高效有机太阳能电池？研究人员表明，通过精细调控类塑料分子在薄膜干燥过程中如何聚集与自排列，可以使廉价材料媲美更复杂的体系，将有机太阳能电池的效率推高到20% 以上。

简单材料，宏大目标

有机太阳能电池使用基于碳的材料替代刚性的硅片。它们重量轻、可弯曲且可溶液印刷，适合便携设备、建筑幕墙甚至可穿戴设备。但存在不匹配：高度优化的“受体”分子发展迅速，而同等优异的“供体”聚合物则滞后，且常需复杂昂贵的合成工艺。作者关注一种更简单的家族——线性共轭聚合物，它们合成更容易但通常输出功率较低。目标是缩小这一性能差距，同时保留这些简单结构在成本和制造上的优势。

用于调节行为的氯原子旋钮

工作的核心是一个细微改动：在聚合物主链上引入氯原子。团队合成了三种相关聚合物，除了含有氯基单元的数量——无、半氯化或全氯化——外均相同。尽管氯只是微小的化学调整，它却像一个强有力的控制旋钮：它增强了聚合物链之间的吸引力，促使链段更平整、堆叠更有序，并改变了聚合物与受体材料的相溶性。这些变化不仅影响聚合物在溶液中的行为，也决定了溶剂蒸发时薄膜固化的方式。

从液态混合物到微小通道

当太阳能电池层干燥时，数以千计纳米尺度的事件决定其最终结构。聚合物可能在溶液中形成细长的绳索状束并延续到固态；受体分子可能较早或较晚结晶；两种成分可能混合紧密或分相形成独立区域。通过散射方法、电子显微镜和原位光学测量，研究者表明氯含量控制了聚合物束的尺寸与形状以及两种材料的相分离行为。无氯时，混合物过于均匀，尽管有许多界面可供光生激子分裂，但缺乏清晰的电荷传输通路。氯含量过高时，材料相互排斥，分离成大而纯的区域，尽管各区域内电荷传输良好，但界面过少，不利于高效的激子分裂。

“金发姑娘”式的聚合物

中等氯化水平的版本落在最佳位置。在溶液中，它形成尺寸恰当的预聚集聚合物束。随着薄膜干燥，这些束与受体分子有序组织成精细互穿的双连续网络：供体与受体互相交织的两条高速通道，在它们之间有大量交汇点。时间分辨测量显示激子在这些交汇处迅速分裂，电荷沿连续路径迁移且正负载流速平衡，较少电荷陷入陷阱或复合。由该优化聚合物制成的器件达到20.42%的光电转换效率，对于如此结构简单的材料而言是令人印象深刻的数值，并且在持续照明下保持良好性能。

这对未来太阳能技术的意义

对于非专业读者，关键信息是：通过巧妙控制分子如何聚集与固化，可以让“简单”塑料表现得像更复杂的材料。通过调节氯化程度，作者展示了可以引导有机太阳能电池活性层的自组装，形成恰当的纳米结构以捕获光并传输电荷。这种方法使合成路线保持简短且低成本，同时提供接近领域最好水平的效率，有助于将柔性、可印刷的太阳能技术更快地推向现实大规模应用。

引用: Yin, B., Chen, Z., Wu, B. et al. Chlorination-controlled aggregation and film-formation kinetics enabling high-efficiency organic solar cells with low-cost linear conjugated polymers. Nat Commun 17, 2340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69051-6

关键词: 有机太阳能电池, 聚合物光伏, 薄膜太阳能, 材料自组装, 氯化聚合物