可溶液处理的有机太阳能电池（OSC）具有带隙可调、质轻、半透明、低成本和弱光效率高等优异性能，在可穿戴/植入设备、建筑一体化光伏和弱光发电中具有极大潜力。随着低电压损耗非富勒烯受体的蓬勃发展，器件工程在提升器件光伏性能上愈发重要。其中，热退火（TA）是最早发展且应用最广泛的活性层形貌优化工艺。几乎所有具有高效率OSC体系，包括聚合物小分子、全小分子以及全聚合物体系都需要采用TA工艺。在过去的几十年里，TA处理已被证实能显著提高有机光伏器件的短路电流密度（J_SC）和填充因子（FF）以及稳定性。

然而，几十年来，所有这些光伏体系中TA的使用方法都是相同的：将器件（无顶部电极）放在热板上一段时间。除了优化退火温度和时间之外，很少有人在活性层薄膜加热方法上进行创新。由于目前高性能非富勒烯受体的聚集/结晶行为对温度变化十分敏感，因而传统TA方法难以精细调控活性层形貌。较低的退火温度难以形成足够有序纳米结构的互穿网络，造成J_SC和FF的提升非常有限。高退火温度或较长的退火时间可能导致过度的相分离，进而导致激子无法实现高效解离，同时还往往会产生较大的非辐射损失，造成器件开路电压（V_OC）降低。此外，从热传导的角度来看，传统的TA是属于一种“非接触式”工艺：热量几乎都要通过衬底、ITO（或其他透明导电电极）和空穴（或电子）传输层传导后才能到达活性层。这种“非接触”退火引起的相分离极易受到底层物理特性的限制，使BHJ的形态更难以调控。因此，将热传导直接从加热基板传递到活性层势必能更好细化活性层形貌，开发这种的可替代退火方法对OSC领域乃至其它薄膜相关研究领域极具意义。

图1. a)活性层TA和RTA处理示意图；b）PM6和L8-BO-X的化学结构；c）TA和RTA处理PM6:L8-BO-X薄膜的吸收系数；d）介电常数-频率曲线；PM6:L8-BO-X器件的e）瞬态光电流、f）瞬态光电压、g）电流密度-电压和h）外量子效率曲线。

针对上述问题，深圳技术大学新材料与新能源学院有机半导体材料与器件团队通过在退火过程中将活性层翻转，提出了一种制备高质量BHJ薄膜的新型退火方法，称为倒置热退火（RTA）。这里，热传递在衬底和BHJ薄膜之间没有任何过渡层。研究表明RTA可以提高PM6:L8-BO-X活性层的介电常数，诱导更小的库仑捕获半径（14.93 nm），降低了电荷转移态（CTS）能量（0.070 eV）。同时，RTA还能够减缓残留溶剂的挥发，细化BHJ薄膜中给体/受体（D/A）相分离和晶体取向的变化。此外，RTA还可以改善垂直相分离，诱导空穴传输层附近有更高的PM6含量。通过以上协同作用，RTA器件实现较小的非辐射复合损耗（0.215 eV），并改善了电荷传输，获得了更高V_OC。与传统的TA器件（18.98%）相比，基于RTA处理的PM6:L8-BO-X器件的V_OC、J_SC和FF同时提升，效率达到19.91%（认证效率达到19.42%）。此外，RTA方法在其他4种高效率活性层系统（聚合物:小分子和全聚合物体系）也表现出极好的普适性：PM6:Y6（RTA 18.61% vs. TA 18.17%）、PM6:BTP-eC9-4F（RTA 19.29% vs. TA 18.48%）、PM6:L8-BO（RTA 19.67% vs. TA 19.16%）和PM6/PJ1-γ（RTA 17.56% vs. TA 17.10%）。如果RTA调控合适，RTA有可能对其他薄膜光伏体系也能产生积极的影响，这为充分发挥OSC光伏性能的潜力提供了一条新的途径，并为未来产业化制备高效OSC提供了一种简单、廉价且有效的方法。

图2.a）器件PCE随光浸泡时间衰减曲线；b）TA和RTA处理PM6:L8-BO-X器件在N₂下储存稳定性；经TA或RTA处理的c）PM6:Y6、d）PM6:BTP-eC9-4F和e）PM6:L8-BO器件的电流密度-电压特性曲线；经TA或RTA处理的f）PM6:Y6、g）PM6:BTP-eC9-4F和h）PM6:L8-BO器件的外量子效率曲线。

该成果近日在国际顶级期刊Advanced Materials（Q1, IF：27.4）上，以“A Novel Upside-Down Thermal Annealing Method Toward High-Quality Active Layers Enables Organic Solar Cells with Efficiency Approaching 20%”为题发表。论文由深圳技术大学新材料与新能源学院为第一单位，由有机半导体材料与器件团队（负责人：李顺朴教授）完成，成员王宇飞副研究员为第一作者，在读硕士孙康博和香港科技大学李超博士为共同第一作者，张光烨副教授为该论文唯一通讯作者。

此工作得到了深圳技术大学分测中心、新材料与新能源学院、深圳市超级金刚石与功能晶体应用技术重点实验室的大力支持。感谢深圳市超级金刚石与功能晶体应用技术重点实验室（ZDSYS20230626091303007）、广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515010875、）、广东省教育厅（2021KCXTD045）、国家自然科学基金（12274303、52103202、62104159）、深圳科技大学拔尖人才自然科学基金（GDRC202112、GDRC202113、GDRC202104）和广东省高等学校特色创新基金（2022KTSCX116）的资助。

核心作者简介：

王宇飞，副研究员，网页

王宇飞-深圳技术大学-新材料与新能源(sztu.edu.cn)

张光烨，副教授，网页

张光烨-深圳技术大学-新材料与新能源(sztu.edu.cn)

（论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202411957)