光电转换效率达19.78%!南昌大学陈义旺/谈利承团队,最新AM!

全聚合物太阳能电池（all-PSCs）因其轻质、可印刷和柔性的核心优势，成为极具潜力的光伏体系。近年来，受益于光伏材料创新和活性层形貌优化，全聚合物太阳能电池的认证效率已突破19%。然而，在印刷过程中，聚合物链缺乏有效剪切力引导，导致无序堆积和过度聚集，形成大量无定形相；同时，聚合物链的缠结加剧界面复合，阻碍载流子传输，使得全聚合物电池的性能发展显著滞后于小分子体系。

2026年4月17日，南昌大学陈义旺教授、谈利承教授、江西师范大学张立福教授及合作者在《Advanced Materials》上发表题为“Pattern-Induced Directional Shear Force Synergized With Regulation of Multicomponent Fragments Entropy Effect for Printable Efficiency All-Polymer Solar Cells”的研究论文。该工作首次提出了图案化刮涂协同多组分碎片熵效应调控的策略，用于构建伪平面异质结（PPHJ）全聚合物太阳能电池。图案化刮刀通过限域墨水流动增强定向剪切能力，有效引导聚合物链拉伸和有序堆积；同时，引入具有良好堆积取向的第三组分PTQ10，与PM6碎片结合，抑制了蒸发过程中熵驱动的链回缩效应，减轻了PM6的过度聚集，从而形成了理想的垂直梯度分布和双纤维网络形貌。

图案化刮涂的流体动力学模拟显示，与普通刮涂相比，图案化刮刀能够使流体在受限空间内挤出，增强定向剪切能力，使马兰戈尼流和毛细管流沿印刷方向协同竞争，从而实现聚合物碎片的有效拉伸和有序堆积。大面积薄膜的UV-vis吸收光谱 mapping证实，PBC薄膜具有优异的均匀性。流变学测试表明，引入PTQ10后溶液粘度降低，剪切极限下降，使溶质在较小剪切力下即可发生滑移。高速相机图像显示，PM6:PTQ10（0.8:0.2）溶液具有更小的弯月面接触角，表明PTQ10有效降低了溶液剪切极限，有利于聚合物链充分拉伸。

分子动力学模拟揭示了蒸发过程中聚合物碎片的运动行为。PM6:PTQ10（0.8:0.2）体系的碎片质心距离（52.05 Å）适中，而PM6:PTQ10（1:0）体系过大（84.17 Å），PM6:PTQ10（0.7:0.3）体系过小（21.57 Å），说明适量PTQ10可改善碎片过度分离和团聚。PTQ10碎片在蒸发过程中有效粘附于PM6碎片，抑制了熵驱动的回弹效应。过量PTQ10则会破坏两者粘附，导致部分碎片自聚集。

形貌表征方面，AFM相图和纤维尺寸分布显示，PM6:PTQ10/PY-DT（0.8:0.2/1.2）薄膜呈现明显的纤维状结晶，纤维尺寸集中在40 nm，而PM6:PTQ10/PY-DT（0.7:0.3/1.2）薄膜仅20 nm。HR-TEM晶格条纹显示，优化薄膜的面间距为0.308 nm，小于二元薄膜（0.351 nm）和过量掺杂薄膜（0.348 nm），表明晶体取向和连续性更优。GIWAXS结果表明，优化薄膜在面内方向（100）层状堆积峰更强，在面外方向（010）π-π堆积峰更强，呈现优先的面-on取向；层状堆积距离和π-π堆积距离均最小，结晶相干长度达72.5 Å，显著大于二元膜的47.4 Å，表明结晶性显著增强。

通过瞬态吸收光谱测试了激子动力学。在500 nm泵浦激发下，PTQ10掺杂薄膜在720 nm处出现明显的基态漂白信号，证明PTQ10被激发，提供更多空穴位点加速电子转移。PM6:PTQ10/PY-DT（0.8:0.2/1.2）薄膜在820 nm处的TA信号衰减最快，双指数拟合显示超快激子解离时间（τ₁）和扩散限制电子传输时间（τ₂）均最短，说明激子解离和电子转移速率显著增强。荧光寿命成像显示，三元薄膜具有更强的PL猝灭效率和更长的PL寿命，优化了激子迁移行为。

器件性能方面，基于PM6:PTQ10/PY-DT（0.8:0.2/1.2）的PPHJ器件实现了19.78%的光电转换效率，其中开路电压0.961 V，短路电流密度25.61 mA cm⁻²，填充因子高达79.76%，处于全聚合物太阳能电池领先水平。EQE谱图积分电流与J-V测试吻合。大面积柔性模块（有效面积16.94 cm²）效率达16.88%，柔性器件效率为18.92%。在氮气手套箱中老化400小时后，三元器件仍保持优异性能。瞬态光电压和瞬态光电流测试表明，优化器件具有更高效的激子解离和电荷传输。陷阱态密度分析显示，优化器件在0.2-0.4 eV能级深度范围内陷阱态密度最小，陷阱辅助复合损失最低。空间电荷限制电流法测得空穴和电子迁移率更高且更平衡，归因于抑制的陷阱复合和优化的双纤维网络形貌。

1、首次提出图案化刮涂协同多组分碎片熵效应调控策略，通过限域空间增强定向剪切力，引导聚合物链有序拉伸和堆积，解决印刷过程中剪切力耗散难题。

2、引入PTQ10与PM6碎片结合，抑制蒸发阶段熵驱动的链回缩效应，形成连续双纤维网络和理想垂直相分离，结晶相干长度提升至72.5 Å。

3、器件效率达19.78%（填充因子79.76%），16.94 cm²柔性模块效率16.88%，柔性器件效率18.92%，为全聚合物太阳能电池大面积印刷提供了可靠路径。

图1 图案化刮涂过程示意图、流体速度分布、粘度曲线、高速相机图像及分子动力学模拟的碎片运动行为

图2 AFM相图、纤维尺寸分布、HR-TEM晶格条纹、GIWAXS二维图和线切曲线，展示优化薄膜的纤维形貌

图3 瞬态吸收光谱二维图及动力学曲线、电子转移寿命、荧光寿命分布及激子扩散和载流子传输路径示意图

图4 不同器件的J-V曲线、EQE谱图、大面积模块J-V曲线及性能对比雷达图

本研究提出了图案化刮涂协同多组分碎片熵效应调控的策略，成功构建了高性能全聚合物太阳能电池。图案化刮刀通过限域墨水流动增强了定向剪切能力，使聚合物链在印刷过程中实现有序拉伸和堆积；同时，引入PTQ10与PM6碎片结合，有效抑制了蒸发阶段熵驱动的链回缩和过度聚集，形成了连续双纤维网络和理想的垂直相分离形貌。优化器件实现了19.78%的光电转换效率，填充因子接近80%，大面积柔性模块效率达16.88%。该工作揭示了定向流体力和聚合物碎片有序堆积是构建双纤维网络形貌的关键，为全聚合物太阳能电池的印刷制备和商业化提供了可靠策略。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.73084

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