最小尺度上的纯度:实现高效非富勒烯太阳能电池的关键

与传统的富勒烯受体材料相比,非富勒烯受体的分子设计多样性更大,分子能级及电子特性的调制范围更宽,因此可以显著降低其光电转换过程的能量损失,且易于实现低成本制备大面积柔性器件。得益于这些优势,非富勒烯有机太阳能电池的能量转换效率不断获得突破,已成为材料学、新能源以及高分子科学中重要的前沿研究领域。尽管大量的非富勒烯受体已被合成出来,每一个新合成的非富勒烯小分子都可以和数以百计的给体聚合物组合制备非富勒烯电池,而其中只有很少数的体系能取到10%以上高效率。对非富勒烯受体的每一个小的结构微调,均会对其最终的能量转换效率产生一定的作用,也会对器件条件的优化和给体材料的选择提出新的要求。因此,器件的优化以及测量将会变成一项十分繁重的工作。实现器件的理性优化是当前非富勒烯有机太阳能电池中亟待解决的关键问题。

Aenm-houjianhui

由于有机/聚合物给体材料和非富勒烯受体材料的化学元素组成十分类似,对比度小,且非富勒烯体系的形貌十分复杂,往往存在多尺度相分离结构,因此传统的形貌表征手段如原子力显微镜和透射电子显微镜难以对其共混薄膜多尺度相结构进行定量分析。剖析影响其性能的关键形貌因素及其热力学上的驱动力对非富勒烯有机太阳能电池研究具有至关重要的意义。近期美国北卡罗莱纳州立大学物理系博士后叶龙等与中科院化学所侯剑辉研究组合作探究了目前最高效率的非富勒烯体系PBDB-T:IT-M的微观形貌。借助共振软X射线衍射以及掠入射X射线衍射的表征,他们率先阐明了最小尺度上的相区纯度是该类富勒烯有机太阳电池实现高效率的关键。他们剖析了该体系在不同加工条件下的形貌参数(π-π相干长度、相区大小、相区纯度等),发现该体系在所有条件下都存在着尺度为~80 nm和~10 nm的两种相区。在这种多尺度形貌体系中,器件的短路电流、填充因子与器件的总体相区纯度无关,而与最小尺度(~10 nm)上的相区纯度与成正比。在最优的加工条件(添加剂以及热退火)下,PBDB-T:IT-M共混薄膜在最小尺度上的相区最纯,从而填充因子和能量转换效率分别能达到~0.73和~12.1%。值得指出的是,这种规律也广泛适用于其他具有复杂形貌的聚合物-富勒烯太阳能电池以及全聚合物太阳能电池。根据高分子溶液理论,他们进一步探究了该体系的形貌热力学以及Flory-Huggins参数, 这很好地解释了这类高性能有机太阳能电池复杂形貌的演变机制。

这些基本规律将为设计和优化新型高效率非富勒烯受体提供了十分有益的指导。相关研究工作在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201602000)上。