三元策略实现高效厚膜大面积有机太阳能电池的制备

目前,在国内外研究者的不懈努力下,有机太阳能电池的光电转换效率已突破12%,这为其未来应用打下了坚实的基础。但是,大部分有机太阳能电池最优器件的膜厚通常是在100 nm左右,实现这一厚度的均匀性大面积加工对其加工工艺(如卷对卷、狭缝刮涂等)具有极大的挑战。因此,构筑高效、适合大面积加工的厚膜体系是有机太阳能电池领域亟待解决的重要科学和技术问题。载流子的迁移率和复合是决定给体材料可否实现厚膜加工的两个决定性参数。通常,器件的效率在厚膜下表现较差的主要原因是随着膜厚的增加器件的填充因子急剧的下降,而短路电流的增加有限。究其原因是因为多数给体材料的迁移率不高,以及在厚膜下整个体系的载流子复合大幅增加。因此,提高材料的迁移率和通过调控形貌减小载流子复合是实现具有高效率的厚膜有机太阳能电池的有效途径。从分子角度来说,调控分子取向可以有效提高体系的迁移率减小载流子复合。空穴的迁移率沿主链方向大于p-p堆积方向大于侧链方向,所以p-p堆积方向(edge-on:p面垂直于基底;face-on:p面平行于基底)的调控成为重点。

SMll-weizhixiang

近期,国家纳米科学中心魏志祥研究员课题组与西安交通大学的马伟教授和延卫教授合作,利用小分子诱导聚合物结晶及face-on取向的三元策略,实现载流子传输路径的优化,减小载流子的复合,进而实现了高效厚膜有机太阳能电池的制备。研究人员利用共轭小分子与共轭聚合物的协同效应,把结晶性较高的共轭小分子(p-DTS(FBTTH2)2)引入到结晶性较差的共轭聚合物(PTB7-Th)和富勒烯衍生物(PC71BM)体系中。该工作对比了二元体系和三元体系在不同膜厚下的表现(如图),发现在270 nm厚的薄膜下三元体系具有10.78%的光电转化效率而二元体系的效率小于8%。主要体现在三元体系在较高的膜厚下仍然具有较高的填充因子,而二元体系的填充因子则是随膜厚的增加呈线性急剧下降。三元体系具有高的face-on分子取向、大的晶区及较纯的相区(模型如图),这将有利于载流子的传输、减小载流子复合。该工作表明通过三元策略,利用共轭分子间的相互作用,可以有目的的实现分子取向的调控,该调控策略为制备厚膜器件提供了新的思路。该工作另一亮点是利用了不含卤素的较为环保的二甲苯为溶剂,这对未来的大面积加工制备具有重要意义。研究人员利用PET柔性基底制备了大面积器件,在有效面积为1.25cm2下,光电转化效率高达8.28%。在此基础进一步制备了面积为20cm2的模块电池,可以用于驱动LED灯和低功率的电风扇,显示了该器件未来在集成系统中的应用前景。该研究成果发表在small(DOI: 10.1002/smll.201700388)上。