有机光伏（OPVs）因其质量轻、柔性以及低成本可溶液加工的特性，正逐渐成为一类极具前景的太阳能技术。这些特性使其在建筑一体化光伏[1]、便携式及室内电源[2]等领域展现出独特优势。但是，随着该技术逐渐从实验室到实际应用，如何同时实现高性能和长期稳定性仍具有挑战性。
OPV的性能与其活性层的内部结构密切相关。这类活性层通常由电子给体和电子受体的有机半导体混合组成。这些材料的纳米尺度形貌（包括堆积方式、取向和相分离）决定了光能转化为电能的效率[3]。因此，深入理解并精准调控这种微观结构，对提升光电转换效率和运行稳定性具有重要意义。
在OPVs上镀活性层有两种常见的方法：本体异质结（BHJ）和顺序沉积（LBL）[3, 4]。在BHJ方法中，给体和受体材料在溶液中混合并同时涂层。这个方法简单直接，通常初始性能优异，但是形成的形貌很难调控，而且在热力或光反应下可能发生演变。相反，LBL方法按照顺序沉积给体层和受体层，更能调控分子结构。尽管操作比较复杂，但这种方法能提供更优异的结构稳定性。
图1. (a)采用本体异质结(BHJ)或顺序沉积 (LBL)制备的传统OPV结构。BHJ结构将给体(PM6)与受体(Y7-12)混合，而LBL则采用顺序沉积方式。PEDOT:PSS作为空穴传输层(HTL)，ZnO作为电子传输层(ETL)。(b)采用相同BHJ和LBL方法的反向结构，其传输层顺序相反：ZnO作为ETL直接沉积在基底上，BM-HTL则置于银电极下方。(c)狭缝涂布工艺示意图，用于在环境空气条件下沉积溶液中的每一层。(d)给体聚合物PM6与非富勒烯受体Y7-12的化学结构，二者共同构成光吸收活性层。所有器件均建立在镀有ITO(氧化铟锡)的玻璃基底上，该透明导电氧化物作为底部电极使用。来源：APL Energy (2025)，DOI：10.1063/5.0270441
可扩展制备与结构表征的结合
丹麦技术大学与南丹麦大学的研究团队在近期一项研究中[5]，探究了BHJ与LBL方法对OPV效率及长期稳定性的影响。该研究采用FOM Technologies公司开发的alphaSC狭缝涂布系统，在环境条件下完成了所有活性层与界面层的沉积，该设备专为实现可扩展、高重复性的薄膜制备而设计。研究选用PM6作为给体材料，Y7-12作为非富勒烯受体，并同步构建了传统型与反向型两种结构，以评估不同结构与层序对性能的调控作用。
所有方法的初始功率转换效率均表现优异，其中性能最优的BHJ达到了15.24%的光电转换效率（PCE）。然而，在持续热力条件下，部分器件的性能衰减速率显著高于其他器件。为探究这一现象的产生原因，研究团队采用了掠入射广角X射线散射（GIWAXS）技术，该技术特别适用于解析有机薄膜中的分子排列有序性及晶体结构特征。
GIWAXS揭示了怎样的形貌特征？
为评估活性层的纳米结构稳定性，研究人员在Xenocs Xeuss 3.0系统上进行了GIWAXS测量。测量对象是在玻璃基底上通过旋涂法制备的LBL结构PM6:Y7-12薄膜，该制备方法可确保分析过程中薄膜的最佳均匀性。
通过对比热老化前后的二维GIWAXS图谱，研究人员在Q≈0.3 Å⁻¹处观察到一个清晰的层状衍射峰，该特征峰对应PM6聚合物的晶体堆积。关键是，即使在85℃下持续热老化72小时后，该衍射峰仍保持稳定，这表明光活性层的本体形貌结构未受热力的影响（图2）。
通过对一维面内散射图谱的进一步分析，研究确认未出现因降解导致的峰位偏移或峰宽展宽现象。这些结果证明，在持续热力作用下，活性层的纳米有序结构仍能保持稳定。
降解究竟发生在何处？
尽管GIWAXS的测试结果排除了活性层的形貌不稳定性，但部分器件，特别是传统BHJ结构，在热老化后仍然表现出性能衰减。这促使研究人员去探索其他部分的结构堆积。
通过结合电学测试（包括EQE和J-V分析）、光学显微镜及原子力显微镜，他们将热力下性能衰减源定位在顶部银电极与相邻空穴传输层（BM-HTL）的界面处。该界面的变化（如分层或形态粗糙化）被证明可以降低填充因子（FF）和开路电压（Voc），即使短路电流（Jsc）不受影响。
由于通过GIWAXS确认的结构稳定性，研究团队得以明确性能衰减是因为界面失效而非材料本体不稳定。这一发现对指导优化OPV设计具有关键意义，特别是在筛选更稳定的界面层或开发替代电极材料方面。
BHJ vs. LBL：哪种沉积方法更具稳定性优势？
研究发现，无论是BHJ还是LBL，在可扩展加工条件下均可实现高效率。但经过热力测试后，反向结构的LBL始终表现出更优异的稳定性。这类方法在长期测试中保持高性能且性能衰减幅度极小，这表明LBL工艺提供的可控形貌，结合更强大的反向结构，为开发耐用的大面积OPV模块提供了可行路径。
为何结构解析对可扩展光伏器件至关重要？
该研究凸显了GIWAXS技术在评估器件稳定性和指导新一代有机太阳能电池材料选择方面的重要价值。通过将FOM Technologies公司的狭缝涂布平台（实现可扩展化制备）与Xenocs先进实验室X射线仪器（提供高分辨率纳米结构表征）相结合，研究人员成功建立了加工工艺，纳米尺度结构和长期性能之间的直接关联。
研究发现初始高效率固然重要，但理解和调控OPV材料在分子尺度的稳定性，才是构建可靠、具备商业化价值的光伏器件的关键。GIWAXS技术能够直接解析分子堆积、结晶性和取向等纳米级结构特征，使研究人员能理解活性层在加工过程中的自组装行为[3]及应力下的演变规律。这些结构层面的认知，对于优化性能和确保可扩展有机太阳能装置的长期稳定性具有不可替代的作用。
The work presented here highlights the value of combining scalable fabrication techniques with advanced structural analysis to better understand and improve organic solar cell performance. To help researchers move even faster, Xenocs and FOM Technologies have launched a strategic partnership — with the goal of enabling in situ characterization during slot-die coating.
