Solar RRL:基于不寻常反向器件结构的非富勒烯有机太阳能电池

有机太阳能电池因制作工艺简单、成本低廉、环境友好、可印刷制备大面积柔性半透明器件等突出优点而成为可再生能源领域的研究前沿之一。2015年,北京大学占肖卫课题组设计合成了明星分子ITIC,提出了稠环电子受体的概念。目前,基于稠环电子受体的有机太阳能电池的效率超过18%,有机太阳能电池开启非富勒烯时代。

在有机太阳能电池中,利用给受体共混制备本体异质结(BHJ)是最常用的经典器件结构。然而, 共混BHJ结构在一些材料体系中面临如下问题:1)在活性层旋涂成膜过程中,给受体材料由于表面能差异大,倾向于分别向两电极过度聚集,造成垂直方向上给受体混合和相分离不理想,不利于激子解离;2)通过热退火和溶剂添加剂等来改善活性层形貌,这不利于器件的稳定性、可重复性以及规模化制备。

最近,占肖卫课题组与合作者采用逐层旋涂给受体的方法制备了一种不寻常的反向器件结构(SHJ)。为实现逐层旋涂工艺,他们设计并合成了含氟侧链的八并稠环电子受体FOIC1,氟代侧链改善了受体分子在2-甲基四氢呋喃中的溶解性,通过选用与FOIC1具有正交溶解性的聚合物给体PTB7-Th构筑了SHJ器件。在SHJ器件中,聚合物给体首先旋涂在下层,靠近阴极;小分子受体其次旋涂在上层,靠近阳极。一方面,在上层旋涂过程中,上层溶剂可溶胀下层给体材料,给受体材料在表面能差的驱动下在垂直方向重新分布,聚合物上移,小分子下沉,相互混合。另一方面,先旋涂聚合物给体可减少给体在上层的过度聚集,使SHJ器件和传统的BHJ器件相比垂直相分离得以改善。在无任何后处理的情况下,相比于BHJ器件,SHJ器件的开路电压、短路电流密度和填充因子均得到提高,效率达12%,超过BHJ器件的11%(图a)。通过薄膜亚层吸收光谱研究发现,在BHJ结构中,PTB7-Th在两电极附近过度聚集,而SHJ结构则拥有更合适的给受体分布,从而有利于载流子传输,减少载流子复合。另外,通过光学模拟发现,SHJ结构有利于产生更多的激子(图b和c),进一步改善了器件的性能。这一研究表明,这种不寻常的反向器件结构在制备高性能有机太阳能电池方面具备一定潜力。相关工作发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.202000115)上。