非卤化溶剂制备的高效高分子太阳电池的形貌演变

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非卤化溶剂(三甲苯TMB, 三甲苯+ 1,5-二甲基萘TMB+1,5-DMN)和卤化溶剂(氯苯+1,8-二碘辛烷CB+DIO)制备的活性层透射电镜图像以及相应的在模拟太阳光照下的器件电流密度-电压曲线比较

高分子薄膜太阳电池有别于目前广泛应用的各类无机半导体太阳电池,可溶液加工是其独特性质之一。该类器件表现出柔性﹑轻质﹑易于加工和费用低廉等特性,具有非常广阔的发展和应用前景。目前,制备高分子薄膜太阳电池普遍使用的是卤化溶剂,如氯仿﹑氯苯和二氯苯等。而为了达到调控微观形貌的目的,往往同时使用了微量的高沸点液态添加剂,如1,8-二碘辛烷﹑1,8-辛二硫醇和1-氯萘。但是,这些溶剂都是对人体毒性较大,可对环境造成污染的溶剂,不适用于未来工业化大规模制备器件。

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的叶轩立教授团队及其研究团队通过使用了毒性较小的非卤化溶剂三甲苯和新型固体添加剂 1,5-二甲基萘,基于材料体系PDTSTPD:PCBM,实现了~8.3%的器件能量转换效率,同比优化后的卤化溶剂制备器件的~7.5%有显著的性能提高。首次实现了非卤化溶剂优于卤化溶剂。通过对比这两种不同的溶剂体系的性能以及微观形貌,包括了实时形貌演变的监测,证实了1,5-二甲基萘对于高分子结晶以及形貌的形成具有巨大的调节功能。随着1,5-二甲基萘逐渐挥发,给体分子逐渐排列成有序结构,晶粒尺度先是增大而后减小,而受体分子的晶粒尺度增大后保持稳定。最终非卤化溶剂加工的活性层形貌具有更均匀的相分离,相的大小在~30nm左右,而卤化溶剂加工的活性层的形成了较大的高分子晶粒聚集。前者更利于光生激子的分离以及载流子的传输,从而实现了较高的器件性能。相关论文在线发表在Advanced Science

该项工作通过与美国劳伦斯伯克利国家实验室的刘峰博士密切合作完成,结果展示了非卤化溶剂体系的巨大应用潜力,对于在未来工业化大规模制备高分子薄膜太阳电池有着重要的启示作用。