Advanced Functional Materials:南昌大学陈义旺教授课题组在三元有机太阳能电池准平面异质结取得新进展

传统的有机太阳能电池的活性层材料,绝大部分都是采用本体异质结(BHJ)的方法,其通常有利于激子分离和载流子传输,并能够有效提升光伏体系的短路电流和填充因子。尽管如此,BHJ结构也存在诸多缺点。基于BHJ结构的活性层形貌难以调控,无法控制活性层的垂直相分离,特别是在三元有机太阳能电池本体异质结中,部分第三组分无法很好兼容,因此内部可能有一些独立的孤岛区域存在,这意味着分离的电子和空穴不能有效地传输到电极表面,并最终导致重组。同时,三元本体异质结有机太阳能电池活性层结构的未知与无序使得其工作原理十分复杂不利于研究。

南昌大学高分子及能源化学研究院陈义旺教授带领的研究团队在前期的研究中发现通过对有机太阳能电池的界面修饰改善界面材料的功函,相关的界面工程改变了其表面能,且发现界面层性能的改善能对活性层的垂直相分离起到优化作用,提高了电池效率。(Adv.Mater.2016, 28, 4852−4860, ACS Nano 2018, 12, 5, 4440-4452) 在传统的有机太阳能电池二元本体异质结体系中,也可通过连续旋涂法改善其垂直相分离,来达到提高电流和效率的目的。(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 29, 26213-26221) 近日,该团队在通过连续旋涂法制备准平面异质结高效三元有机太阳能电池方面取得了重要进展,相关研究成果以《High-performance pseudoplanar heterojunction ternary organic solar cells with nonfullerene alloyed acceptor》 (DOI 10.1002/adfm.201909760)为题,发表于材料领域著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。论文的第一作者为南昌大学硕士生万继,共同第一作者为南昌大学博士生张立福,通讯作者为陈义旺教授。

该研究基于PM6:IT-4F为主体系,通过添加近红外小分子受体F8IC作为第三组分来拓宽光谱吸收从而提高电池稳定性和效率,在成功制备了三元BHJ太阳能电池的基础上,创造性地将两个非富勒烯受体材料溶解在一起,然后逐层旋涂给体层,混合受体层制备出效率为14.2%的准平面异质结三元太阳能电池器件,这对有机太阳能电池的结构优化和材料的最大化合理利用具有重要意义。该研究通过将两个结构相似的小分子很好地溶解在一起,极大地提高了第三组分受体材料的利用率,改善了活性层垂直组分分布,给体材料更接近于空穴传输层,受体材料更接近于电子传输层,有效地减少了活性层中孤岛区域的出现,同时发现基于连续旋涂法制备的器件活性层吸收系数得到了显著提高。

对于两个非富勒烯小分子溶解在一起之后所形成的受体层,该团队进行了进一步的深入研究,结果表明这两个结构十分相似的小分子在混合溶解之后,具有非常好的兼容性,且形成了一个新的合金受体小分子。这一研究结果表明可以通过选择合适的第三组分材料,使之与主受体形成合金,可将三元太阳能电池二元化,且更有利于制备准平面异质结结构的高效三元太阳能电池。

本工作中,巧妙且合理地选择第三组分受体与主受体融合在一起形成合金受体,调节了活性层的结晶性质,从而优化了相分离形貌,且该方法证明了合金材料更有利于制备准平面异质结三元有机太阳能电池,具有较高的可重复性和器件稳定性,该方法为三元有机太阳能电池活性层形貌优化开辟了新的思路。