Small Methods:通过逐层沉积实现高效有机太阳能电池

目前,基于本体异质结结构的有机光伏器件其光活性层的制备通常经由给体-受体混合溶液一步旋涂而成;为实现最佳光伏性能,给/受体材料的结晶性和混溶性之间须取得微妙的平衡以获得理想活性层形貌,从而对器件加工条件和优化过程提出严苛要求。逐层沉积法(Sequential Deposition)则是依次加工给体和受体层,如此,一方面允许两活性组分可被单独调控和优化;另一方面削弱了两组分间相互作用,减小了成膜动力学的复杂性,从而为降低生产要求提供了新的机遇。尽管如此,基于逐层沉积法的有机太阳能电池鲜少受到研究者的关注,其能量转换效率亦远滞后于一步旋涂法加工的电池器件。  

为此,香港城市大学Alex K.-Y. Jen教授课题组和朱宗龙课题组等基于逐层沉积法发展了一种简单但可有效调控光活性层形貌的策略,成功制备出高效的有机光伏器件,相关结果发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000687)上。

在该方法中,作者通过在受体中引入适量添加剂的手段针对性地精准调控受体组分的结晶性最终达到了操控整个共混相微观结构的目的。具体的研究结果表明:相较传统一步法制备的活性层,两步加工策略可以赋予活性层更为优良的共混相结构,进而改善了相应光伏器件中的电荷传输行为以及抑制了电荷复合。由此,基于PM6:Y6-BO体系的电池器件取得了高达17.2%的能量转换效率(为逐层沉积法构筑的有机光伏器件的最高值),显著优于一步法加工的本体异质结器件(16.4%)。此外,作者将该方法应用于另外五个高性能非富勒烯受体(Y6, IT-4F, IDIC-4F, 6ITC-4F和3TP3T-4F)材料体系中,相应光伏性能同样得到明显提高,证实了由调节受体层而实现形貌优化的逐层沉积法的普适性。该研究成果提供了一种通过逐层沉积法既可提高光伏性能又能降低生产要求的有效且简单的加工策略。