3D电子衍射——在透射电子显微镜中补全有机场太阳能电池纳米级分析的缺失切片

窥视太阳能电池内部为何重要

基于碳材料（有机材料）的太阳能电池承诺实现轻量、柔性和可印刷的器件，但其性能对分子在纳米尺度上的排列极为敏感。迄今为止，科学家不得不在能看到大面积平均结构的技术与能放大查看极小区域的手段之间做出选择，这使得难以获得完整图景。本文介绍了一种填补该空白的方法：一种可在透射电子显微镜（TEM）中运行的三维电子衍射，它将对太阳能电池内部景观的精细成像与精确的结构测量连接起来。

看见超越模糊平均的信息

目前研究有机场太阳能电池的大多数工具，例如掠入射广角X射线散射（GIWAXS），是通过以浅角将X射线照射到薄膜上并读取产生的衍射图样来工作的。GIWAXS 功能强大：它告诉研究者分子排列的紧密程度、有序区的尺寸以及取向一致性，同时在类似针尖大小的面积上给出平均信息。但它无法直接显示域的真实空间形状、局部取向差异或薄膜内的化学变化。此外，由于探测几何限制，它固有地遗漏了一些纯面内分子排列的信息，因为无法精确沿薄膜表面方向观测。

用电子补上缺失的那一片

作者展示了一种互补方法——三维电子衍射（3D ED）——能够恢复与GIWAXS 本质上相同的结构参数，同时提供那些缺失的部分。在TEM中，一片薄且自由支撑的太阳能电池薄膜被置于电子束中并在多个角度间倾斜，每一步记录一个衍射图样。这些图样随后被重建成薄膜散射电子的三维图谱。使用一种研究透彻的小分子供体与富勒烯受体的模型混合物（DRCN5T:PC₇₁BM），团队表明3D ED 可以重现诸如晶格间距、有序区的有效尺寸以及分子取向分布等关键量，并与实验室和同步加速器GIWAXS结果表现出惊人的一致性。

逐纳米将结构与功能连接起来

由于3D ED 在TEM 内进行，它可以与成像和光谱分析无缝结合。作者利用这一点构建了一幅关联图，将分子堆叠与可见的域形态和组成联系起来。在DRCN5T:PC₇₁BM 混合物中，元素分布图显示了嵌入在受体基质中的“叶状”供体富集区。衍射成像表明，在这些叶片内部，许多较小的晶粒彼此略有错位，形成镶嵌结构。紧密堆叠的分子平面的取向在不同区域间发生变化：一些域为“edge-on”（边向），有利于沿薄膜平面传输电荷，而另一些为“face-on”（面向），有利于垂直方向传输。通过重建三维衍射体积，团队量化了这种取向混合（织构）以及围绕优选方向的分散程度（镶嵌度），并将这些度量直接关联到纳米尺度的形态学。

观察随处理工艺发生的结构演化

为测试该方法的适用范围，研究人员转而研究一种经典的聚合物基混合物P3HT:PC₇₁BM，并比较短暂热退火前后的薄膜。3D ED 显示，退火使与聚合物层状堆积相关的某些衍射环变得更锐利，表明晶粒变大且有序度提高，尤其沿特定方向。额外的衍射成像证实了域变得更为延伸且相分离粗化的趋势，这些变化在该体系中已知有利于器件性能。即便对于这种更易受电子束损伤的材料，通过谨慎控制电子剂量和能量过滤，3D ED 也能在不破坏基底有序性的情况下跟踪结构演化，彰显其在广泛有机与混合薄膜研究中的实用性。

对未来太阳能电池的意义

总体而言，这项工作表明3D电子衍射可以成为有机场太阳能电池结构分析中的“缺失切片”。它提供与GIWAXS 可比的定量信息，同时增加了真实的三维取向数据并能在单一仪器中与实空间图像及化学图谱直接配准。3D ED 并非要取代X射线方法，而是对其补充：它对面内有序高度敏感，并能对微米尺度区域进行详细探测。随着探测器技术和自动化工作流程的改进，这一方法应能帮助研究者系统地将加工条件、纳米结构与器件性能联系起来——加速更高效、更稳定的下一代太阳能电池的设计。

引用: Kraus, I., Wu, M., Rechberger, S. et al. 3D electron diffraction—the missing slice completing nanoscale analysis of organic solar cells in TEM. Nat Commun 17, 3159 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70690-y

关键词: 有机场太阳能电池, 3D电子衍射, 透射电子显微镜, GIWAXS, 纳米结构薄膜