Advanced Functional Materials:三元准平面异质结策略助力有机光伏大面积化印刷

本体异质结(BHJ)太阳电池因其质量轻便、成本低和可柔性加工等独特的优势在近年来得到了极大的发展(单节器件效率已达到18.2%)。然而,本体异质结活性层稳定性不佳。这是由于本体异质结中活性层材料分布复杂难以调控,最佳形貌也总是处于亚稳态且受到热力学控制。随着时间的迁移,本体异质结活性层向着热力学稳定状态变化,导致活性层中激子分离效率不佳、器件性能下降。

针对上述问题,南昌大学/江西师范大学陈义旺教授团队通过三元准平面异质结策略,使用刮涂工艺成功制备出可印刷大面积有机太阳电池。相较于本体异质结结构活性层薄膜,通过三元准平面异质结策略制备的准平面异质结结构活性层薄膜中垂直相分离更加明显,有利于电荷传输。同时,通过刮涂工艺制备出的薄膜比旋涂工艺所制备出的薄膜更加均匀,更有利于大面积器件的制备。相关结果以《Printable and large-area organic solar cells enabled by a ternary pseudo-planar heterojunction strategy》为题发表在《Advanced Functional Materials》 (DOI: 10.1002/adfm.202003223)上。论文第一作者为南昌大学博士生刘思奇,共同第一作者为南昌大学博士生陈东。通讯作者为南昌大学/江西师范大学陈义旺教授以及胡笑添研究员,合作通讯作者为中南大学张霖教授。

在前期的工作中,由陈义旺教授带领的研究团队通过逐层旋涂给体层PM6,混合受体层F8IC:IT-4F制备出效率为14.2%的准平面异质结三元太阳电池器件,有效改善了活性层垂直组分分布(Adv. Funct. Mater. 2020, 1909760)。同时通过将第三组分富勒烯衍生物ICBA引入到PM6:IT-4F体系,降低其非辐射复合损失从而开路电压得到恢复,最终优化大面积刮涂器件的性能(Adv. Funct. Mater. 2020, 2000417)。

在此基础上,该团队进一步通过将给体PM6和受体混合物ICBA:IT-4F分别刮涂,成功得到器件效率达到14.25%(有效面积为1.04 cm2)的大面积三元准平面异质结器件(PM6/ICBA:IT-4F)。同时,通过直观定性测试对不同结构的活性层薄膜垂直相分离及其结晶性能进行探索。首先,通过二次离子质谱(SIMS)和紫外相结合的方式定性的研究活性层垂直方向的物质分布。在活性层组分相同的情况下,相较于本体异质结活性层薄膜,准平面异质结活性层薄膜中,IT-4F更趋向于在活性层表面聚集,而PM6趋向于在活性层底部聚集。然后,通过对GIWAXS测试结果进行分析发现,ICBA的加入有效提高PM6在活性层薄膜中的结晶性能,有利于活性层薄膜的垂直相分离。证实了三元准平面异质结策略可有效优化活性层垂直相分离,从而提高激子分离效率和电荷传输。同时,PM6结晶性增强及其在活性层底部的聚集亦有利于器件热稳定性的增强。该工作为未来有机光伏半导体实际应用提供了一种新的有效制备方法。