西安交通大学马伟教授团队主要从事有机光电子材料（有机太阳能电池，有机电化学晶体管等）、有机神经形态材料、柔性智能传感器及集成器件、柔性非易失性存储器和大科学装置同步辐射X射线散射技术开发等领域的相关研究，近年来取得了重要科研成果。目前已发表学术论文300余篇。

  在刚刚迈入2023年之际，我们持续关注并回顾了2022年马伟教授团队在有机太阳能电池的材料设计、形貌调控及室内光伏应用等领域的研究成果，他们在Joule，Adv. (Energy/Funct.) Mater.，Nano Energy，Carbon Energy等期刊上发表研究及综述文章30余篇。我们对其中的代表性成果进行了梳理，供大家学习和交流。

Part 1 高性能有机太阳能电池形貌调控

1.Adv. Mater.：基于非卤溶剂通过双狭缝涂布工艺制备高性能有机太阳能电池

  得益于光伏材料设计、器件工程和界面工程等策略，有机太阳能电池效率已突破19%，逐渐接近于商业化生产阈值。然而，当前有机太阳能电池常用的旋涂法、毒性的卤素溶剂加工方式以及传统本体异质结结构阻碍了有机太阳能电池的高通量生产以及商业化应用。

  参考文献：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202202659

2.Adv. Mater.：狭缝挤出动力学调控制备高效三元厚膜有机太阳能电池

  目前，已报道的大部分高效率有机太阳能电池是在实验室中通过旋涂加工制备，而旋涂工艺无法实现大面积连续加工。此外，高效的光伏器件的活性层最优厚度大约为100 nm左右，如此薄的活性层厚度在大面积加工时易出现斑点、针孔等缺陷，导致器件效率的严重损失和较差的可重复性。因此，提高活性层对膜厚的容忍度是大面积生产的必要条件之一。

  参考文献：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202105114 

3.Adv. Energy Mater.：受体组分调控助力有机太阳能电池电压损失降低

  与钙钛矿太阳能电池相比，有机太阳能电池的电压损失相对较大，成为限制有机太阳能电池光伏性能的主要原因。目前，大多数高性能有机太阳能电池的开路电压基本在0.8-0.9 V左右，电压损失普遍大于0.5 eV。因此，减小电压损失是有机太阳能电池发展过程中重要的研究课题之一。

  参考文献：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103735

  有机光伏材料在不同的溶剂中溶解度不同，且具有较大的给受体结晶性差异，从而引起有机光伏器件的性能降低。此外，最优的光伏效率器件的活性层厚度大约为100n 来卷对卷大面积印刷的工业化生产方式要求活性层在比较大的厚度范围内具有良好的器件性能，而100 nm的薄膜厚度不满足商业化生产需求。

  参考文献：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202210534

5.Nano Energy：基于顺序刮涂工艺调控垂直相分布构建高效、高力学性能的有机太阳能电池

  相比无机半导体，有机半导体的本征柔性在制备下一代可穿戴电子器件中具有明显优势。然而，目前先进的有机光伏器件的效率和力学性能难以满足可穿戴器件的应用要求。因此，实现高效、高力学性能的有机光伏器件是一项重要的研究课题。

  西安交通大学马伟教授等人选取高效的PTQ10:Y6共混体系，采用顺序刮涂技术制备伪双层（LbL）结构的有机光伏器件，该结构在聚合物-小分子相的受控组成方面与传统的本体异质结（BHJ）结构明显不同。研究人员通过精细调控上层PTQ10厚度和后处理（退火和添加剂）来控制LbL结构的垂直相分布，并进一步分析其对器件效率和机械性能的影响。研究发现：富含PTQ10的区域促进了足够的分子间缠结，均匀分布的Y6确保了优化的LBL结构中更强给受体界面，有助于电荷传输和应力耗散，实现了效率和力学性能的协同提升。同时研究人员也证明了垂直相分层调控策略具有一定的普适性，该策略有助于推动有机光伏器件在可穿戴电子产品中的未来应用。 

  参考文献：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285522002750

6.J. Mater. Chem. A：基于受体 Y6的有机太阳能电池的形貌及机理研究

  非富勒烯受体Y6及其衍生物的出现极大地促进了有机太阳能电池的发展，目前其效率已突破了19%。有机太阳能电池的活性层形貌是决定器件性能的关键因素之一，然而其又受到动力学和热力学双重因素的影响。揭示Y6背后的机理，热力学和动力学在其中所起到的关键作用，是推动Y6及该系列衍生物聚合物太阳能电池进一步应用的关键。

  西安交通大学马伟教授和周科副教授等人揭示了一种形貌控制策略，通过同时考虑材料本征属性的相容性和成膜过程中的动力学因素来控制材料的相分离和聚集行为。在低相容性的D18:Y6体系中，微量氯苯的引入会导致分子的过度聚集，氯苯中的强相互作用导致聚集增强和过度相分离。在高相容性的PM6:Y6体系中，微量氯苯的引入并未改变成膜过程，形貌和相应的器件性能几乎没有变化。其中氯仿加工的D18:Y6器件获得了17.38%的高效率，为当时狭缝挤出成膜加工的最高效率。通过将给受体之间的相容性和成膜的动力学过程相连接，为研究Y6及其衍生物背后的机理提供了新的思路。 

7.J. Mater. Chem. A：稀释小分子受体含量实现良好机械性能的高效有机光伏器件

  尽管有机太阳能电池的效率已突破19%，然而，由于给体/受体 (D/A) 界面存在较大且尖锐的结晶相，在应变过程中应力相对集中，结晶相域无法消散应力从而产生裂纹，加快器件功能失效，因此限制了有机太阳能电池在柔性光伏器件领域的功能化应用。

  参考文献：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta00959e/unauth

8.Small: 非平衡态形貌演变路径研究

  有机太阳能电池的活性层形貌决定了器件的光电转化效率，其活性层形貌形成过程和调控机理一直是研究人员关注的重点研究课题。近年来，部分研究从共混热力学的角度分析，确定了平衡状态下形貌的形成机制。然而，对于动力学控制下的非平衡态形貌的形成机制仍不明确。

  参考文献：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202200608

9.Solar RRL：基于非富勒烯有机太阳能电池的溶剂诱导多晶型研究

  近年来随着非富勒烯受体材料的快速发展,有机太阳电池效率已经突破19%。研究发现，非富勒烯小分子受体的有序堆积形式对于光电转化效率及电荷传输有着重要的影响，因此，对于非富勒烯体系共混形貌的形成与调控机制也成为进一步突破光伏效率的重点研究的方向之一。其中，目前受溶剂及加工条件影响的非富勒烯小分子受体的分子堆积形态的机理研究仍然相对缺乏。

  参考文献：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.202200819

Part 2 有机太阳能电池的室内光伏应用和集成功能化应用

1.Joule: 揭秘弱光有机光伏器件中的光电流高估的原因

  室内有机光伏由于高消光系数和带隙可调性以及良好的室内低光强度匹配性，可以作为一种将室内光转换为电能的装置，可成为低功耗电子器件提供有效电源。室内有机光伏的快速发展随之带来了新的机遇，同时也带来了巨大的挑战。如：有机光伏器件在标准光照下（AM 1.5 G）可以准确测得电流，而在弱光强下测试的电流却常常存在高估现象。

  鉴于此，西安交通大学马伟教授、赵超助理教授以及华盛顿州立大学Brian A. Collins教授等人提出基于等效电路模型，结合实验证明了在较低光照强度下，电学边缘效应是导致器件电流被高估的原因。此外，研究发现随着器件表面粗糙度的增大，界面电阻减小，电学边缘效应越强。因此，研究人员提出可通过增加器件的有效面积、降低表面粗糙度、使用掩膜板和设计无边缘器件结构等策略可有效避免电学边缘效应导致的电流高估。该工作对室内有机光伏器件的性能准确评估提供了新见解，有助于促进室内有机光伏器件的进一步功能化应用。 

  参考文献：https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.06.008

  有机太阳能电池由于其特定的光学、电学和机械性能而被认为是最有前途的室内光伏系统之一。然而，目前室内有机太阳能电池光伏效率仍然低于钙钛矿型太阳能电池。因此，考虑到活性层的理想形貌，以减少缺陷电荷复合和电压损失，从而同时提高填充因子（FF）和开路电压，以实现高效的室内有机光伏。

  因此，西安交通大学马伟教授和周科副教授、东华大学马在飞研究员和印度理工学院Dinesh Kabra教授等人通过采用顺序逐层加工工艺优化给受体异质结界面和相分离结构以协同实现较低的漏电流和较低非辐射复合损失。在LED 1000 lux下，顺序逐层加工器件实现了81.5%的FF和31.2%的室内光伏效率。此外，并证明顺序逐层加工室内光伏器件具有一定的普适性，有助于室内光伏器件效率的进一步提升。该工作为室内光伏器件的活性层形貌优化提供了新的指导，加快实现有机室内光伏器件应用。 

  参考文献： https://doi.org/10.1039/D2MH01229D

3.npj Flexible Electron.：用于眼部健康监测的自供电柔性有机集成电子器件

  近年来，用于实时监测人体健康和生物信息的集成生物电子器件受到了科研界的广泛关注。目前用于可穿戴或可植入生物电子集成设备的供给电源，如纳米发电机和燃料电池等，能量转换效率较低且供电相对不稳定，难以满足复杂传感系统和信号传输系统的能量需求。此外，可穿戴化生物电子的供给电源相对较大且需外加导线，限制了可穿戴化生物电子的进一步拓展应用。

  参考文献：https://www.nature.com/articles/s41528-022-00211-6

Part 3 高性能有机太阳能电池受体材料设计

1.Carbon Energy：氯代聚小分子受体构筑高性能全聚合物太阳能电池

  目前最先进的全聚合物太阳能电池的效率已达到17%以上，主要得益于近年来高性能聚合物受体"聚合小分子受体（PSMAs）"的快速发展。然而，高性能PSMAs种类相对缺乏，以及早期PSMAs包含两种共混吸电子端基（5-溴-IC和6-溴-IC），其中6-溴-IC在一定程度上限制了分子的吸收、能级及其与高性能聚合物给体如PM6的形貌兼容性。另一方面，尽管基于5-溴-IC的区域规整型PSMAs光电性能优异，但5-溴-IC反应活性相对较弱导致PSMAs分子量偏低，限制了材料的机械性能。与此同时，采用多次重结晶方法从共混物中分离出5-溴-IC，产率极低，增加了合成成本。

  因此，西安交通大学马伟教授和凡群平教授、香港科技大学颜河教授和马睿杰博士、香港城市大学Alex K.-Y. Jen教授、西安科技大学宿文燕副教授和深圳大学罗正辉副教授等人设计合成了三个基于氯代端基（分别为5-溴-4-氯-IC、6-溴-4-氯-IC和5(6)-溴-6(5)-氯-IC）的PSMAs，即PY2Se-Cl-o、PY2Se-Cl-m和PY2Se-Cl-ran。相比区域规整型PY2Se-Cl-o和PY2Se-Cl-m，区域无规型PY2Se-Cl-ran显示出适中LUMO能级和更好的分子堆积与结晶度，从而形成良好的纳米纤维网络结构，获得了16.2%的器件效率和17.5%的断裂伸长率。同时，基于PM6:J71:PY2Se-Cl-ran的三元全聚合物器件（all-PSCs）获得了接近17%的效率和优异的光照/热稳定性。本工作提供了一个全新视角去开发同时具有高力学性能、高效率和高稳定性的all-PSCs，有望推动all-PSCs的实际应用。 

  参考文献：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.267

2.Chem. Eng. J.：引入S???O非共价增强以氯苯为核的非稠环电子受体的光伏性能

  基于Y6系列的稠环电子受体衍生物的单节有机太阳能电池的效已突破19%。然而稠环电子受体结构复杂且需要多步的合成路线，极大地限制了有机太阳能电池的商业化发展。因此，开发化学结构简单、合成路线短、成本低的非稠环型非富勒烯小分子受体材料是十分必要的。

  参考文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137375