Advanced energy materials:刮涂双层本体异质结构聚合物太阳电池中原位调控给/受体结晶动力学平衡

溶剂加工的本体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSCs)以其柔性、质轻以及与卷对卷印刷的良好兼容性而受到广泛关注。得益于非富勒烯受体的快速发展,单节有机太阳能电池的效率已经突破17%。然而,为了进一步适应商业化的要求,OSCs的光电转化效率(PCE)需要进一步提升。其中,形貌的精细调控是实现高效OSCs的有效途径。在绝大多数非富勒烯体系中,聚合物的结晶速率一般慢于小分子,这就会使得体系结晶动力学的不平衡,从而会导致过大的相分离及不平衡的载流子迁移率,造成器件性能的降低。因此,如何调控给受体结晶动力学平衡实现器件性能提升是这类体系关键的科学问题。

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室马伟课题组在空气中采用顺序刮涂法成功制备了双层本体异质结太阳能电池,为合理调控给受体结晶动力学平衡,进一步提高有机太阳能电池的光电效率提供了新的思路。我们通过原位成膜过程(原位膜厚表征,原位吸收光谱表征,原位广角X射线散射表征)的测试发现,在顺序刮涂双层本体异质结体系(Seq-blade)中,通过先预沉积一层很薄的PBDB-T:IT-M,可为后续沉积的PBDB-T:FOIC(主体系)提供大量的聚合物晶核,因此,PBDB-T更容易并且快速结晶,相反,受体FOIC结晶被抑制(二元PBDB-T:FOIC中PBDB-T的聚集速率0.0428,FOIC的聚集速率0.171;Seq-blade体系中PBDB-T的聚集速率0.0574,FOIC的聚集速率0.101),使得结晶动力学更加平衡,形成了更加合适的相分离,降低了电荷传输过程中的能量损失。此外,上层的受体FOIC会部分渗透到下层,有利于形成更好的垂直组成分布。同时,下层的IT-M也可与主体系PBDB-T:FOIC形成光谱互补,扩大光谱吸收范围,可以有效地提高短路电流。由于给受体结晶性的平衡,Seq-blade体系获得了最高11.91%的光电转化效率(PBDB-T:FOIC体系为10.45%)。这项工作为调控给受体结晶动力学,进一步提高太阳能电池的光电转化效率提供了一种新的思路。相关论文在线发表在Adv. Energy Mater. (DOI: 10.1002/aenm.202000826)上。

相关工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委员会、西安交通大学基本科研业务费的支持。