探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 040

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

040 绿色溶剂的趋势：告别苯系溶剂，走向环境友好制程 2025-10-23

有机光伏（OPV）领域正在经历一场旨在告别有毒苯系和卤代溶剂的变革，目标是实现全生命周期的绿色制造。其核心是从材料设计和加工工艺两方面入手，让高性能与环保兼容。

下表汇总了目前绿色溶剂技术发展的几个主要策略和代表性进展：

技术方向 核心策略 代表性溶剂/方法 成效与特点
材料设计驱动 通过分子工程提升材料在绿色溶剂中的溶解性和加工性 苯甲醚 (Anisole)、环己酮 从源头上避免使用有毒溶剂，苯甲醚被归类为"真正的绿色溶剂"。
加工工艺优化 通过主客体策略、添加剂等调控活性层形貌 主客体分子策略、柠檬烯 (LM) 添加剂 在不牺牲效率的前提下，使用高沸点绿色溶剂也能获得高质量薄膜。
绿色合成路线 优化活性层材料自身的合成路径，减少环境危害 直接C-H活化 从材料合成的源头减少有毒试剂的使用，降低整个生命周期的环境影响。


关键技术剖析

为了告别有毒溶剂，研究人员从以下几个关键层面进行了深入探索：

探寻真正的绿色溶剂：根据联合国"全球化学品统一分类和标签制度"（GHS）标准，许多传统的非卤溶剂仍非真正的"绿色"溶剂。研究表明，苯甲醚（存在于龙蒿等植物中，也用于婴幼儿维生素滴剂）和环己酮是潜力巨大的替代者。此外，来源于柑橘的柠檬烯作为加工添加剂，也展现出良好前景。

材料设计：让高分子"爱上"绿色溶剂：绿色溶剂（如水、醇、苯甲醚）通常极性较大。为了让聚合物给体材料能溶于它们，需要增强材料自身的极性。一个有效的策略是在共轭聚合物主链中引入B−N共价键。B−N键是极性键，能有效提高聚合物在苯甲醚等绿色溶剂中的溶解度，从而无需改变侧链即可实现绿色加工。

形貌控制：主客体策略与绿色添加剂：绿色溶剂往往沸点较高，不易快速挥发，这给活性层形成理想相分离形貌带来了挑战。主客体分子策略可以解决这一问题，例如，在成膜过程中，客体分子能作为"向导"，诱导主体分子更有序地组装和堆积，从而在绿色溶剂中也能形成利于电荷传输的纤维状网络结构。此外，使用如柠檬烯这样的生物基添加剂，也能有效优化薄膜形貌。

源头绿色：开发更环保的材料合成路径：目前高性能有机光伏材料的合成严重依赖Stille偶联反应，该反应需要使用有毒、难以去除的有机锡试剂。采用直接C-H活化等绿色合成策略，副产物仅为氢气，原子经济性高，能从源头上大幅降低光伏材料的环境足迹。


研究前沿与性能突破

上述技术的综合运用，已经在实验室阶段取得了令人瞩目的成果：

高效小面积电池：苏州大学与瑞典林雪平大学合作，通过主客体策略，在环境友好溶剂中制备的小面积有机太阳能电池实现了17.48% 的认证效率。华南理工大学团队利用B−N键聚合物和苯甲醚溶剂，结合柠檬烯添加剂，将效率进一步提升至15.65%。

大面积组件与产业化曙光：苏州大学的研究团队利用高沸点环境友好溶剂，通过刮涂法制备了10 cm × 10 cm的大面积活性层薄膜，在不退火的情况下，组件效率达到了14.26% （有效面积36 cm²），展示了绿色加工在大规模生产中的潜力。

绿色合成材料的高效率：中国科学院宁波材料所通过直接C-H活化合成的低成本、低结晶度客体受体D-IDT，引入主体体系后，器件效率达到了19.92%，实现了效率与绿色合成的协同。


挑战与未来方向

尽管绿色溶剂技术取得了显著进展，但要完全实现产业化，仍面临一些挑战：

效率与工艺的平衡：使用绿色溶剂加工的器件效率，与传统溶剂相比有时仍存在差距，需要进一步优化材料和工艺。

通用性材料体系：目前可被绿色溶剂加工的高性能光伏材料体系仍然有限，亟待开发更多种类的可绿色加工聚合物给体和受体。

大规模生产工艺：将实验室的旋涂工艺转化为适用于工业生产的印刷技术（如喷墨打印、狭缝涂布），并与之匹配，是下一个需要攻克的难题。