探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 023

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

023 形态学！形态学！形态学！活性层微观结构的决定性作用 2025-10-06

有机光伏器件的性能，其活性层的微观形态（即形态学）起着决定性作用。它关乎光生激子的分离效率、电荷的传输能力以及器件的最终效率与稳定性。

下面这个表格梳理了理想活性层形态的主要特征、常见的调控策略及相关的高效器件案例，可以帮助你快速建立整体认知。

核心特征 理想形态的目标与作用 典型调控策略 高效器件案例
分子堆积与结晶性 形成紧密且有序的π-π堆积，提供高效的电荷传输通道，降低电荷复合。 侧链工程、纤维化策略、不对称烷基链调控 北航团队通过不对称烷基链设计，使受体L8-BO-C4同时具备高结晶度与高荧光量子产率，实现了>20%的效率。
相分离形貌 形成纳米尺度（10-20 nm）的双连续互穿网络，提供巨大的D/A界面以分离激子，同时形成连续的电荷传输路径。 三元策略、层层加工（LbL）、使用固体添加剂 武汉理工大学通过添加剂诱导受体L8-BO纤维化，形成了优化的互穿网络，将效率提升至19.0%。 山东大学通过LbL与固体添加剂GOMe结合，精确控制垂直相分离，实现了17.18%的全小分子电池效率。
界面与稳定性 供体/受体界面能级匹配，活性层与电极接触界面欧姆接触好、提取效率高；微观结构具有热力学稳定性，抵抗老化。 界面层修饰（如ZnO层处理）、低聚物受体设计、光谱分辨老化分析 华南理工大学利用低聚物受体优化了共混形态的稳定性，使器件推算寿命超过25000小时。


形态学的核心调控策略解析

表格中提到的策略是当前研究的焦点，其背后的科学原理值得深入探讨。

分子堆积的精确调控：这是优化电荷传输性能的基石。

侧链工程：如青岛能源所的研究表明，通过受体侧链的异构化（从烷基苯基调整为苯基烷基），可以显著改变π-π堆叠距离和分子间相互作用位点，从而增强"面对面"相互作用，最终实现超过19%的效率。

纤维化策略：武汉理工大学王涛教授团队利用添加剂1-氟萘（FN） 作为"分子桥"，诱导小分子受体L8-BO进行一维自组装成纤维。这种纤维具有紧密的多晶结构，被整合到活性层后，大幅提升了电荷传输和收集能力，实现了19%的效率且填充因子高达80%。

相分离结构的构筑：目标是主动制造出理想的纳米结构。

三元策略：在活性层中引入第三种组分，可以像"合金"一样调节整体相区的纯度和相容性。例如，在青岛能源所的工作中，LA23受体与主体材料BTP-eC9形成了均匀且组织良好的 "合金样"混合相，这是实现超高效率的关键。

层层加工（LbL）：这是一种顺序加工技术，能主动构造垂直方向上的成分分布。山东大学高珂教授团队采用此法，结合固体添加剂GOMe，成功构筑了底部给体富集、顶部受体富集的理想梯度分布，同时实现了紧凑的分子堆积和足够的D/A界面，创造了全小分子电池的效率纪录。

界面与稳定性优化：这是器件走向应用不可或缺的一环。

电极界面修饰：中国科学院化学所侯剑辉研究员团队用硼酸（BA） 处理ZnO电子传输层，有效去除了制备过程中残留的胺类杂质。这一简单的处理提升了电子提取能力，使器件的填充因子（FF）和效率均得到显著提升，并改善了稳定性。

材料本征稳定性：华南理工大学黄飞和李宁教授团队采用低聚物受体替代传统聚合物小分子。低聚物在分子尺寸和包装性能上更可控，能获得更佳的热力学稳定微观结构，从而大幅延长了器件寿命。


前沿研究方向与挑战

尽管成果斐然，有机光伏形态学的研究仍在不断深入，以下几个方向值得你保持关注：

动态形貌与原位表征：活性层形态在成膜和后续处理（如退火）中是动态演变的。国家纳米科学中心团队利用原位紫外-可见吸收光谱实时监测槽模涂覆过程中的成膜动力学，为指导大面积制备提供了 insights。未来，发展更先进的原位表征技术以揭示形貌的动态演化规律，将是连接实验室研究与产业化的关键。

平衡矛盾性能：材料的高结晶度通常有利于电荷传输，但往往会导致荧光猝灭，增加非辐射能量损失。北航与港科大合作团队的成功之处，就在于通过不对称烷基链设计，巧妙地打破了这一"惯例"，同时实现了高结晶度与高荧光量子产率，为降低开路电压损失开辟了新路径。

面向产业化的形态学：大多数突破性成果仍在小型实验室器件中实现。如何将优化的微观形态复制到大面积组件中，并保证均匀性和良率，是产业化面临的核心挑战。这需要将基础研究与涂布工艺、墨水配方等工程化技术更紧密地结合。