陈义旺、胡笑添团队《先进功能材料》:三元准平面异质结策略助力有机光伏大面积化印刷

本体异质结(BHJ)太阳电池因其质量轻便、成本低和可柔性加工等独特的优势在近年来得到了极大的发展(单节器件效率已达到18.2%)。然而,本体异质结活性层稳定性不佳。这是由于本体异质结中活性层材料分布复杂难以调控,最佳形貌也总是处于亚稳态且受到热力学控制。随着时间的迁移,本体异质结活性层向着热力学稳定状态变化,导致活性层中激子分离效率不佳、器件性能下降。

针对上述问题,南昌大学/江西师范大学陈义旺教授、胡笑添研究员团队联合中南大学张霖教授通过引入三元准平面异质结策略,采用刮涂工艺成功印刷的大面积有机太阳电池。三元准平面异质结策略可有效制得相较于本体异质结活性层垂直相分离更加明显的准平面异质结活性层薄膜,有利于电荷传输。同时,与旋涂工艺相比,刮涂所制备的薄膜更加均匀,更有利于大面积器件的制备。

团队前期通过将第三组分富勒烯衍生物ICBA引入到PM6:IT-4F体系,降低了非辐射复合损失从而开路电压得到恢复,最终使得大面积刮涂器件的性能得到优化(Adv. Funct. Mater. 2020, 2000417)。并通过逐层旋涂给体层PM6,混合受体层F8IC:IT-4F制备出效率为14.2%的准平面异质结三元太阳电池器件,有效改善了活性层垂直组分分布(Adv. Funct. Mater. 2020, 1909760)。

在此基础上,团队通过将给体PM6和受体混合物ICBA:IT-4F分别刮涂,成功得到有效面积为1.04 cm2的三元准平面异质结器件(PM6/ICBA:IT-4F),器件效率达到14.25%。通过直观定性测试对活性层垂直相分离进行探索,证实了三元准平面异质结策略可有效优化活性层垂直相分离,从而提高激子分离效率和电荷传输。

陈义旺、胡笑添团队《先进功能材料》:三元准平面异质结策略助力有机光伏大面积化印刷
图1 PM6、IT-4F和ICBA的(a)化学结构式和(b)归一化的紫外-可见光吸收光谱;(c)大面积器件照片及刮涂示意图;(d)三种不同活性层结构器件示意图

首先,通过刮涂方法制备三种活性层结构不同的大面积有机太阳电池器件并对其光电性能进行表征,可得到准平面异质结结构器件光电性能优于平面异质结和本体异质结结构器件的结论。通过二次离子质谱(SIMS)和紫外相结合的方式定性的研究活性层垂直方向的物质分布。图2表明,在活性层组分相同的情况下,相较于本体异质结活性层薄膜,准平面异质结活性层薄膜中IT-4F更趋向于在活性层表面聚集的同时,PM6趋向于在活性层底部聚集。故而相对于本体异质结,准平面异质结活性层薄膜的垂直相分离更为明显,更加有利于激子传输。

陈义旺、胡笑添团队《先进功能材料》:三元准平面异质结策略助力有机光伏大面积化印刷
图2 (a)氟元素在不同结构、不同组分活性层薄膜中的分布二次离子质谱。(b)PM6:10%ICBA:IT-4F和(c)PM6/10%ICBA:IT-4F活性层薄膜在滴下不同量氯仿冲洗后的紫外-可见光-光谱

 

陈义旺、胡笑添团队《先进功能材料》:三元准平面异质结策略助力有机光伏大面积化印刷
图3 (a)PM6/IT-4F、(b)PM6/10%ICBA:IT-4F的GIWAXS二维图和(c)不同结构、不同组分的活性层薄膜GIWAXS一维图

然后,通过GIWAXS测试可得,ICBA的加入可有效提高PM6在活性层薄膜中的结晶,有利于活性层薄膜的垂直相分离。三元准平面异质结策略可使活性层垂直相分离程度扩大,从而调控活性层形貌。同时,PM6结晶性增强及其在活性层底部的聚集亦有利于器件热稳定性的增强。由三元准平面异质结策略制备的大面积化印刷有机光伏器件在优化形貌提高光电性能的同时可有效提高其稳定性,为未来有机光伏半导体实际应用提供了一种新的有效制备方法。

该研究工作以《Printable and large-area organic solar cells enabled by a ternary pseudo-planar heterojunction strategy》为题在材料领域著名期刊《Advanced Functional Materials》上发表。本文第一作者为南昌大学博士研究生刘思奇,共同第一作者为南昌大学博士研究生陈东。通讯作者为南昌大学/江西师范大学陈义旺教授以及胡笑添研究员,合作通讯作者为中南大学张霖教授。

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003223

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