快干型溶剂添加剂提高厚膜型聚合物光伏电池效率

PTB7是使聚合物光伏电池在效率上率先超过8%以及9%的一种窄带隙聚合物(Adv. Mater., 2011, 23, 4636; Nature Photon. 2012, 6, 591),具有重要地位和影响力。PTB7:PC71BM活性层一直采用氯苯为主溶剂和3%含量的DIO为溶剂添加剂来制备纳米薄膜。由于DIO沸点很高,涂膜结束后存在DIO残留,需要高真空或采用甲醇洗涤来进行去除。聚合物光伏电池的定位是一种低成本、将采用高速卷对卷(roll-to-roll)工艺过程的清洁能源技术,DIO添加剂无疑与高速卷对卷工艺不兼容,对聚合物光伏电池的发展形成制约。另外,卷对卷印刷过程还依赖厚膜型吸光活性层才能获得更大的良品率控制窗口,采用DIO在这方面也表现不佳,虽然在100nm下有高效率,但300nm时效率降低到5%以下,这通常被同行归简单因于PTB7的迁移率不高。

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华南理工大学陈军武教授团队发展了低沸点CBA作为溶剂添加剂用以取代DIO,在无需真空干燥下使PTB7活性层在厚度为100, 200, 300 nm下分别获得9.11%,8.24%,7.11%的效率,使PTB7在100-300nm膜厚范围内获得>7%效率的加工工艺窗口。作为对照,DIO体系在采用额外真空过程下的效率分别为7.53%,5.71%,4.93%。对比TEM分析,CBA体系的高效率在于不同厚度下能更好保持PTB7:PC71BM活性层的给/受体互穿网络形貌,特别是受体相有更好的电子迁移率。与上海交通大学刘烽教授合作利用软X-光技术分析CBA体系在200nm膜厚下的相区尺度为70nm,而DIO体系形成形貌失效的200nm大相区尺度。本研究表明采用新型溶剂添加剂,不仅在快干特性上能与卷对卷印刷兼容,而且能实现更高的厚膜效率以建立卷对卷质量控制窗口,从而使PTB7也获得了卷对卷印刷应用的潜力。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials( DOI:10.1002/aenm.201601344)上。

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