南昌大学陈义旺AM:图案诱导的定向剪切力协同多组分片段熵效应调控用于高效率印刷全聚合物太阳能电池

在可印刷的全聚合物太阳能电池中，刀片涂布过程中较弱的剪切力限制了聚合物链的有序排列，从而阻碍了活性层中“双纤维网络”形貌的构建。

有鉴于此，南昌大学陈义旺团队首次提出了一种协同策略：利用图案化刀片涂布技术，并结合多组分片段熵效应的调控，构建了具有理想垂直梯度分布的“拟平面异质结”全聚合物太阳能电池。图案化的刀片使得聚合物流体能够在受限空间内被挤压，这增强了印刷过程中的定向剪切能力，从而有效地引导聚合物链的拉伸。此外，引入具有良好堆积取向的 PTQ10，可以有效地与 PM6 片段结合，抑制熵驱动的回缩效应，并缓解 PM6 片段的过度聚集，这有利于形成具有良好相分离的拟平面异质结结构。因此，基于 PM6:PTQ10/PY-DT 体系的器件表现出了极具竞争力的 19.78% 的光电转换效率，填充因子接近 80%。值得注意的是，相应的 16.94 平方厘米柔性组件实现了 16.08% 的光电转换效率。这些结果表明，定向流体力的引导和有序的聚合物片段堆积是实现双纤维形貌的关键，为全聚合物太阳能电池的商业化提供了一种可靠的途径

🔬 核心机理

这篇文章的核心机理在于通过“图案化刮涂（PBC）”与“多组分片段熵效应调节”的协同作用，构建了理想的伪平面异质结（PPHJ）结构。

第一，图案化刀片增强定向剪切力，诱导聚合物链有序排列。
传统的刮涂工艺在溶剂蒸发阶段剪切力会耗散，导致聚合物链无序。该研究利用图案化刀片（Patterned Blades）在印刷过程中对流体进行空间限域。这种物理结构迫使聚合物溶液在受限空间内流动，显著增强了沿印刷方向的定向剪切力（Directional Shear Force）和流体速度。这种增强的剪切力有效地拉伸了PM6聚合物链，使其从无序卷曲状态转变为有序伸展状态，从而在宏观上实现了大面积薄膜的均匀印刷，在微观上促进了聚合物链的有序堆积。

第二，引入PTQ10调节多组分片段熵效应，抑制熵致回缩。
在溶剂蒸发阶段，聚合物链通常会发生熵驱动的回缩（Entropy-driven retraction），导致过度聚集和非晶相的形成。文章引入了第三组分PTQ10，利用其相对刚性的分子链结构。PTQ10片段能够与PM6片段有效结合（Bind），这种结合作用在溶液蒸发过程中充当了“锚点”，抑制了PM6片段的熵致回缩效应。这种机制将主导行为从“链回缩”转变为“纤维聚集”，从而缓解了PM6的过度聚集，稳定了有序的分子堆积结构。

第三，构建优化的双纤维网络与垂直相分离形态。
通过上述两种机制的协同，活性层形成了具有理想垂直梯度分布的伪平面异质结（PPHJ）。这种结构不仅具有精细的相分离，还构建了连续的双纤维网络（Dual-fiber network）。这种优化的形态显著提升了激子的解离效率和载流子的传输能力，同时抑制了非辐射复合损失，最终实现了高达19.78%的光电转换效率（PCE）和优异的机械柔性。

💡 创新点

这项工作的创新性主要体现在工艺设计、物理机制理解和器件性能突破三个维度。

第一，提出了“图案化刮涂”工艺，解决了印刷过程中的剪切力耗散难题。
不同于传统的平整刀片，该研究首创性地使用图案化刀片来辅助印刷。这一创新点在于利用物理结构限制流体流动，不仅赋予了流体定向流动的能力，还产生了流体加速效应。这成功解决了刀片离开后剪切力迅速消失的问题，使得在印刷大面积薄膜时也能保持高度的均匀性和聚合物链的取向性，为可印刷光电器件的制造提供了新的工艺思路。

第二，揭示了“多组分片段熵效应”调节机制，从热力学角度优化形貌。
该研究不仅关注动力学过程（剪切力），还深入到了热力学层面（熵效应）。创新性地提出利用第三组分（PTQ10）来调节聚合物片段的熵行为。通过实验和分子动力学模拟证明，适量的PTQ10可以结合PM6片段，降低体系的熵增驱动力，从而抑制聚合物链在干燥过程中的回缩和团聚。这种通过调节“熵效应”来控制活性层形貌的策略在有机光伏领域具有独特的理论创新价值。

第三，实现了大面积柔性模组的高效率，推动了全聚合物电池的实用化进程。
该策略不仅在实验室小面积器件上取得了19.78%的极高效率（Fill Factor接近80%），更重要的是在大面积柔性模组上展现了巨大的应用潜力。研究制备的16.94 cm²柔性模组实现了16.08%的效率，且柔性器件保持了刚性器件95.6%的效率。这一创新点证明了该协同策略在解决“效率-面积-柔性”三者矛盾方面的有效性，为全聚合物太阳能电池的商业化应用提供了可靠的技术路径。