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近年来，有机太阳能电池（OSCs）的效率已突破20%大关，成为低成本、柔性光伏技术的重要发展方向。然而，活性层中给体与受体的相分离形貌对激子解离和电荷传输具有决定性影响：给受体过小的相分离有利于激子解离，但不利于电荷传输；过大尺度的相分离则相反。因此，如何精准调控活性层纳米纤维形貌，实现激子解离与电荷传输的平衡，是当前OSCs研究的关键挑战。

背景介绍

传统的形貌调控多依赖热力学手段，如溶剂退火、添加剂处理等，而动力学调控手段，尤其是剪切力场对共轭聚合物结晶行为的主动调控，在OSCs领域尚缺乏系统研究。近日，北京师范大学薄志山教授、青岛大学刘亚辉教授、路皓副教授与上海交通大学郝博男合作，创新性地提出一种“离轴旋涂”策略：通过将ITO衬底偏离旋涂盘中心，人为引入并增强成膜过程中的剪切力场，成功诱导高分子量聚合物给体D18发生高度取向结晶，从而精准调控活性层形貌，实现了高效率、高厚度耐受性、宽材料普适性的OSCs制备。

该成果以题为“Shear Force Field-Tailored Fibrillar Active Layer Morphology for High-Efficiency Organic Solar Cells”于2025年发表在国际顶级期刊 Advanced Functional Materials 上。

研究亮点

1. 离心旋涂：一种主动强化的剪切力场调控策略

通过将ITO衬底置于偏离旋涂轴心的位置（如边缘），利用公式 τ ≈ η·(ωR/h)，人为增大了有效旋涂半径R，从而在成膜瞬间施加更强的剪切应力。这种受控的剪切力场有效克服了高分子量D18（HW-D18）的链缠结，诱导聚合物链发生高度取向排列，而非简单的相分离。

2. 优化活性层形貌与分子堆叠

离心旋涂使HW-D18形成高度取向的纤维状网络结构，相分离尺寸优化至约27 nm，接近理想值。同时，聚合物链呈现更明显的face-on取向，有利于面内电荷传输。这些结构变化显著提升了载流子迁移率、激子解离效率和电荷收集效率。

3. 实现高效率与高厚度耐受性

- 在100 nm活性层厚度下，HW-D18:L8-BO二元体系实现了 PCE = 20.1%，FF = 81.0%，处于已报道二元OSCs的领先水平。

- 该策略表现出优异的厚度耐受性：200 nm、300 nm、500 nm厚膜器件PCE分别达19.1%、18.5%、16.9%。

- 材料普适性强：在PM6:L8-BO、PM6:BTP-eC9-4F、D18-Cl:L8-BO等多种体系中均显著提升性能。

- 三元体系D18:L8-BO:BTP-eC9-4Cl实现了 PCE = 20.5%，FF = 81.5%，接近当前最高水平。

4. 机理深入揭示

通过流变学分析、AFM、GIWAXS、飞秒瞬态吸收光谱等手段，系统阐明了剪切力场诱导聚合物链排列、加速溶剂蒸发、锁定分子取向、增强结晶有序性的物理机制。离心旋涂还显著降低了非辐射能量损失，提升了器件的热稳定性。

核心数据图

Figure 1. The schematic diagrams of spin-coating on center/off-center ITO, showing the ITO position relative to the rotation axis (a); the pictures of LW-D18:L8-BO and HW-D18:L8-BO blend films (b); the chemical structure of D18 and L8-BO (c); the flow curve of LW-D18/HW-D18 under different temperatures (d); the frequency sweep chart of LW-D18/HW-D18 under 333K (e) (hollow represents G'', solid represents G'.) and the J-V and EQE curves of HW-D18:L8-BO OSCs spin on center and off-center ITO, respectively.

Figure 2. The AFM height and phase images of HW-D18 neat films and HW-D18:L8-BO blends deposited on center and off-center ITO, respectively (a); fiber diameter distributions of HW-D18 neat films and HW-D18:L8-BO blends on center and off-center ITO, respectively (b); statistical summary of fiber diameters (c).

Figure 3. The UV-Vis spectra of neat HW-D18 and L8-BO films (a); the J_ph-V_eff curves (b) and J_sc/V_oc versus light intensity curves (c) of HW-D18:L8-BO devices; the EQE_EL curves of HW-D18:L8-BO OSCs on center/off-center ITO (d); the energy levels of HW-D18/L8-BO (e); the statistical chart of binary OSCs parameters reported in recent literature (f); the J-V curves (g) and EQE curves (h) of HW-D18:L8-BO OSCs spinning on center/off-center ITO (the area of OSC is  0.1 cm²) and the comparison diagram of photoelectric parameters for HW-D18:L8-BO OSCs fabricated with 0.04 cm² and 0.1 cm² center/off-center ITO (i).

总结与展望

本研究提出了一种简单、巧妙、无需复杂设备或添加剂的“离心旋涂”策略，通过主动调控成膜过程中的剪切力场，精准实现了聚合物链取向、结晶性与相分离结构的协同优化。该策略不仅适用于D18体系，还在PM6、PBDB-T等多种给体材料中表现出良好的普适性，为高性能、高厚度耐受性、高稳定性OSCs的制备提供了一种全新的工艺学视角。该策略有望与卷对卷印刷、大面积成膜等工艺结合，为有机光伏技术的产业化进程提供关键的形貌调控手段。

原文链接

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202524598

课题组介绍

薄志山教授：

吉林大学学士、硕士、博士，德国柏林自由大学和美国北卡州立大学博士后，2002 年任中国科学院化学研究所研究员，2002 年获得基金委“杰出青年科学”基金支持，教育部长江学者特聘教授（2015-2020），教育部长江学者创新团队带头人，能量转换与存储材料北京市重点实验室主任。主要从事共轭聚合物光电功能材料的合成与性能研究，在国际重要学术期刊发表学术论文 300 余篇，包括Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。

刘亚辉教授：

青岛大学教授，山东省优青，山东省泰山学者青年专家，Science Chian Chemistry青年编委，物理化学学报青年编委，JMCA Emerging Investigators。2013 年本科毕业于北京师范大学，2018 年于北京师范大学获得博士学位，师从薄志山教授。2020 年加入青岛大学纺织服装学院，功能染料与应用技术研究院核心成员，博士/硕士生导师，主持国家青年基金、面上项目等。研究方向：有机光电材料与器件，如有机太阳能电池关键材料、钙钛矿太阳能电池空穴传输材料等，开发了多种非富勒烯受体材料，共轭聚合物给体材料等。至今以第一/通讯发表 SCI 论文 90 余篇，包括Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Joule, Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。