Solar RRL:聚合物:非富勒烯太阳能电池光学活性层在三维空间微纳形貌的研究与其与光伏性能的构效关系

近年来,稠环芳酰亚胺N型有机小分子受体因其能级和吸光范围易调控等特点,在聚合物太阳能电池领域引起了广泛的关注并取得了重大的进展。目前,单节聚合物:非富勒烯太阳能电池的光电转化效率已超过14%,叠层器件的光电转化效率也已突破15%。非富勒烯受体材料正在革新聚合物太阳能的发展,推动聚合物太阳能电池的商业化。

光活性层是聚合物太阳能电池中最重要的单元,其作用在于吸收光子并将其转化成空穴和电子,以实现电流回路的产生。类似于传统的聚合物:富勒烯电池,聚合物:非富勒烯器件的光活性层同样是通过将聚合物电子供体和非富勒烯电子受体的共混溶液经溶液涂膜制备而成。而有机半导体材料中激子和载流子迁移距离短及易复合的特点意味着光活性层中供体和受体在三维空间的微纳形貌对器件性能起着至关重要的作用。光活性层三维空间的形貌可分两个部分:薄膜水平方向上聚合物给体和非富勒烯受体分子的有序性及两者相分离尺寸的大小和连续性;薄膜垂直方向上给体和受体组分的分布。水平方向上组分的有序性及相分离程度较多的影响吸光性能以及光生激子的解离效率,而垂直方向上组分的非均匀分布则易影响载流子在活性层中向电极的传输以及电极界面处电荷的抽取。 聚合物太阳能电子组分在三维空间的微纳形貌受到光伏材料化学结构、溶液性能、成膜环境以及表面与界面的影响,全面认识活性层三维空间微纳形貌及其与光伏性能的构效关系对实现高效率光伏器件的理性、可控制备具有重要的作用。

近日,武汉理工大学王涛教授课题组与中科院化学所侯剑辉研究员、英国University of Sheffield 的David G. Lidzey教授、 Cardiff University 的Zhe Li博士、Swansea University的James Mcgettrick博士和Trystan Watson教授,以及University of Cambridge的Andrew Pearson博士合作,深入揭示了PBDB-T:IT-M光伏体系中活性层的三维空间微纳形貌,并研究了其对器件效率的影响。该工作利用同步辐射的掠入射广角/小角X射线散射技术(GIWAXS/GISAXS)表征了光活性层中各组分的分子有序性及相分离程度,借助具备蚀刻技术的X射线光电子能谱(XPS)获得了PBDB-T供体组分和IT-M受体组分在光活性层垂直空间的非均匀分布信息。结果显示,经溶液成膜后,尽管高低温热处理(80和160oC)均能显著提升PBDB-T和IT-M的分子有序性(结晶性),使活性层具备更好的载流子传输性能,然而高温热退火会使得PBDB-T的相尺寸增大,并使得PBDB-T和IT-M两相原本较为分明的界面变得松散,使得激子解离效率下降。在光活性层垂直方向上,无论PBDB-T:IT-M活性层溶液涂覆于PEDOT:PSS或TiO2基底上,组分在垂直空间均出现非均匀分布:在活性层的上表面始终有一层PBDB-T富集相。80oC低温热处理不会改变这一非均匀分布,但经过160oC的高温热处理后,PEDOT:PSS基底上涂覆的PBDB-T:IT-M薄膜中PBDB-T富集相会消失,而TiO2基底上PBDB-T:IT-M薄膜中该富集相则不会消失。在基于TiO2的倒置器件中,PBDB-T富集相靠近于MoO3空穴传输层,有益于空穴的提取和收集。然而在基于PEDOT:PSS的正置器件中,靠近电子传输层的PBDB-T富集相富含空穴,会阻碍负极对电子的提取和收集。这些不同基底上出现的差异化的组分在垂直空间的分布,需要针对性的设计正置或倒置器件才能实现电荷传输和抽取的优化。洞悉非富勒烯聚合物太阳能电池中光学活性层在三维空间的微纳形貌及其影响因素意义重大,不仅能为非富勒烯基光伏器件的发展提供更多的理论基础,更能指导高效率电池器件的制备。相关文章发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800114)上。

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