近期，化学与化工学院国家胶体材料工程技术研究中心张茂杰教授团队在有机太阳电池活性层形貌调控领域取得系列进展，相关研究成果分别以“Constructing Continuous Acceptor Fibrillar Networks and Achieving Uniform Phase Separation via Polymer-Assisted Morphology Control for 20.3% Efficient Additive-Free Organic Solar Cells”“Sequential Crystallization Engineering via a Dual-Functional Thiophene Derivative Boosts Organic Solar Cell Efficiency to 20.5%”为题发表于国际期刊Energy & Environmental Science（中科院一区，IF：31.0）、Advanced Functional Materials（中科院一区，IF：19.0）。
有机太阳能电池因具有质轻、柔性和低成本制造等潜力而成为可持续能源的重要研究方向，但无添加剂条件下实现高效率和长期稳定性是一大挑战。添加剂的选择与浓度受聚合物和小分子化学结构严格制约，需大量试错迭代：微小的配比差异不仅会增加加工复杂性，其残留更会导致器件稳定性下降，限制了其商业转化。如何在无添加剂条件下实现活性层形貌的精准调控已成为关键难题。
为突破该瓶颈，张茂杰教授团队提出了一种聚合物工程策略，在常用的D18:L8-BO活性层材料体系中加入少量聚合物受体PY-DT，这种聚合物受体像“建筑模板”一样，在成膜过程中提前沉淀，充当成核剂，诱导小分子受体L8-BO结晶，形成更加有序的分子堆积；而且其刚性骨架进一步引导L8-BO“外延生长”，如同藤蔓沿着支架攀爬，形成均匀且连通的纤维网络，优化了活性层的相分离和分子堆积。该策略使有机太阳能电池能量转换效率（PCE）达到20.3%，为无添加剂有机太阳能电池器件的最高效率之一，且器件在连续光照1200小时后仍保留85.3%的初始效率，为规模化生产提供了可行路径。
另外，张茂杰教授团队设计并合成出一种新型噻吩衍生物：1,2-二([2,3′-联噻吩]-2′-基)乙炔（DBTE），并将其应用于调控薄膜形成过程中的结晶动力学。研究发现，DBTE具备独特的双重功能：它可作为成核剂，为给体材料提供“异质成核位点”，加速给体材料的聚集与有序排列，推动给体优先结晶；同时它能充当增塑剂，减缓受体材料的聚集速度、延长其结晶生长时间，有效避免给体与受体“共结晶”，最终实现“给体先结晶、受体后生长”的顺序结晶动力学过程。破坏了PM6:Y6共混体系中的共结晶过程，诱导给体（PM6）优先有序排列，随后受体（Y6）缓慢生长。这一动力学解耦机制，不仅显著增强了给体相的有序分子堆积，还促使活性层形成有利的垂直组分梯度，大幅提升了激子解离效率与电荷传输性能。在D18:L8-BO体系中，该策略实现了高达20.5%的优异能量转换效率，且经第三方权威认证，效率值达20.2%。通过设计具有双重功能的分子来精准调控结晶动力学，为优化共混薄膜形貌提供了高效解决方案，也为进一步提升高效体异质结有机太阳能电池性能开辟了新颖且可行的技术路径。
以上论文，山东大学均为唯一通讯作者单位，张茂杰教授、国霞教授为论文通讯作者。张茂杰教授团队长期从事有机光伏领域的相关研究，研究内容聚焦新型有机光伏材料设计和高效率器件制备。先后发展了多种有效调制有机共轭材料光伏特性的新方法，成功制备了多种高效有机光伏材料；团队采用自主研发的新材料制备高性能有机光伏器件，能量转化效率始终保持在国际前列。相关研究成果已发表在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等期刊。研究成果得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省泰山学者项目、山东大学杰出中青年学者和山东大学齐鲁青年学者计划的资助和支持。
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