全聚合物太阳能电池（APSCs）具有优异柔韧性、溶液加工性和热稳定性的特点，在可穿戴、可拉伸设备的轻量、大面积印刷应用方面有着广阔的前景。活性层形貌优化，特别是调控给体结晶与相分离是其关键，但溶剂蒸汽退火 (SVA)等后处理过程的实时形貌演变机制尚不清晰。

    针对上述研究问题，中国科学院上海高等研究院（上海光源科学中心）杨春明研究员等基于上海光源小角散射线站（BL16B1，BL10U1），建立了有机太阳能电池原位掠入射X射线散射研究平台。他们利用同步辐射掠入射广角X射线散射 (GIWAXS)、原位紫外-可见光谱 (UV-vis) 结合掠入射小角X射线散射 (GISAXS) 技术，实时追踪了刮涂法制备的PM6: PY-IT全聚合物电池活性层在SVA过程中的动态形貌变化。该研究首次揭示了SVA调控全聚合物共混薄膜形态的三阶段机制（溶胀 - 再结晶 - 重排）及其与性能的关联(图1)。相关工作以“Real-Time Probing of Morphological Evolution and Recrystallization During Solvent Annealing in Blade-Coated All-Polymer Organic Solar Cells Using In Situ X-Ray Scattering”为题发表于Advanced Science。

图1. 刮涂全聚合物太阳能电池溶剂蒸汽退火过程中 (a) 原位GIWAXS和UV-vis同时测量示意图，

(b) 采用不同溶剂蒸汽SVA处理下的微观形貌演变示意图。

    原位UV-vis结果表明，在饱和蒸气压高、溶解度低的非极性溶剂二硫化碳（CS₂）蒸汽作用下，PY-IT 吸收峰出现红移；而在饱和蒸气压低、溶解度高的极性溶剂氯仿（CF）蒸汽作用下，该峰则出现蓝移。这表明极性溶剂对聚合物受体（PY-IT）的影响更为显著，诱导其分子链构象变化（蓝移），形成更致密的空穴传输层，从而提升空穴传输效率。原位GIWAXS分析确认SVA 过程包含三个特征阶段：溶剂溶胀、再结晶和分子重排。适度的SVA时间有助于稳定晶体结构，表现为晶格间距减小、载流子迁移率增加以及相分离尺寸优化，最终提升器件的光电转换效率（PCE）。然而，过度的SVA可能导致分子重排阶段晶体重新膨胀，不利于性能提升，热退火（TA）预处理可有效抑制这种不良膨胀（图2）。GISAXS 测量在介观尺度水平上进一步研究了纳米级相分离行为，TA+CF溶剂蒸汽退火组合处理的薄膜展现出最优的形貌特征，包括最大的给体相干长度（ξ）、最大的受体聚集相尺寸（2R_g）、最高的受体分形维数（D）以及最大的受体相干长度（η）。TA预处理诱导的PY-IT聚集体尺寸增大，是实现适度结晶度和理想相分离的关键，有助于促进高效的电荷分离与传输。该研究阐明了关键机制：极性溶剂SVA主要优化分子堆积，而非极性溶剂SVA则更倾向于促进相分离。 这为高性能刮涂器件提供了明确的工艺-材料协同优化策略（如TA与极性溶剂SVA的组合）。同时，研究结果为后续探索多溶剂协同退火、动态过程的精准调控以及发展环境友好的绿色工艺奠定了重要基础，将有力推动大面积柔性APSCs的产业化进程。

图2. 刮涂全聚合物太阳能电池活性层（PM6: PY-IT）薄膜（100）峰的晶面间距(d-spacing)和结晶相干长度（CCL）在不同后处理下随时间的演变：a) CF、b) TA + CF、c) CS2 和 d) TA + CS2。

中国科学院上海高等研究院课题生郝嘉亮、冯杨、马千一和四川大学李鸿祥副研究员为论文共同第一作者。上海光源科学中心杨春明研究员、太原科技大学王远洋教授和香港理工大学马睿杰博士为论文通讯作者，中国科学院上海高等研究院为第一完成单位。该工作得到了上海光源科学中心边风刚研究员、李秀宏研究员、高兴宇研究员、李爱国研究员、黄宇营研究员、西北工业大学宋霖教授和北京科技大学姜乃生教授等人的支持和帮助。本项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市重大科技项目以及中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。该工作还得到上海光源BL19U2, BL17UM和BL18B以及上海光源实验辅助系统提供的支持和帮助。

文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501823