Advanced Energy Materials:低温静置(cold-aging)和溶剂蒸汽共同调控聚集态制备18%效率二元有机太阳能电池

化石燃料的使用引发了大量的环境问题,而且它们的储量也在日益减少,所以寻找一种可再生的清洁能源是当务之急,太阳能作为清洁可再生能源无疑是当前研究的热点所在。作为下一代光伏技术,有机太阳能电池(OSCs)因其性能易调控、重量轻、柔性好的特性而受到广泛关注。近年来,随着新的光伏材料的涌现,OSCs的效率已经超过18%。决定器件效率的因素除了光伏半导体分子本征的光电特性外,还包括更重要的光活性层内的聚集形态,主要是分子水平上的堆积形式和纳米尺度上的分子聚集体。探索和发展各种化学和物理方法来调控光伏材料的聚集态,使其有利于光吸收和光电转换过程,是进一步提高OSCs效率的有效手段,具有重要的科学意义。

近日,武汉理工大学王涛教授课题组通过调节聚合物给体PM6在溶液中的预聚集行为,进而调控在给体/受体混合光活性层中的聚集态,提出了一种具有普适性的低温静置(cold-aging)诱导聚集方法,可以有效提高包括多种以稠环和非稠环n型小分子为电子受体的OSCs的器件效率。经过cold-aging处理,基于PM6:Y6-BO的OSCs的PCE可以从16.6%提高到17.7%,并且通过在旋涂过程中加入溶剂蒸汽可进一步优化器件,使PCE最高可达18.0%,为文献报道的该二元光伏器件的最高值。

研究人员提出了一种新的cold-aging诱导聚集方法,基于共轭聚合物的温度依赖性聚集(TDA)特性,在低温0oC下静置,使聚合给体PM6发生无序/有序相转变,形成预聚集体。为了深入研究聚合物预聚集对薄膜纳米形貌的影响,利用同步辐射掠入射小角散射/广角衍射(GISAXS/GIWAXS)对光活性层薄膜进行了检测,发现经过cold-aging处理后,PM6聚合物在共混薄膜中构成致密而精细的聚集结构,并有效地增强了分子的π−π堆积程度,这促进了器件空穴和电子迁移率的增强和平衡,从而使器件填充因子明显提高。在此基础上,研究人员通过在溶液旋涂过程中引入溶剂蒸汽,促使器件的电荷迁移率得到进一步提高和平衡,并通过原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)表征光活性层薄膜,发现了更加连续的网络结构的形成。本文的工作为通过对非富勒烯OSCs溶液旋涂前和旋涂过程中的聚集态调控来优化器件效率提供了理性的指导。

该项目研究获得国家自然科学基金(52073221、21774097)、中央高校基本科研专项资金(WUT: 2021III016JC)等项目的资助以及上海光源(中国)BL14B1和BL16B1线站机时支持,浙江大学李昌治教授课题组提供了非稠环电子受体以供研究,谨此感谢。

论文信息

Cold-Aging and Solvent Vapor Mediated Aggregation Control toward 18% Efficiency Binary Organic Solar Cells

Chuanhang Guo, Donghui Li, Liang Wang, Baocai Du, Zhi-Xi Liu, Ziqiu Shen, Pang Wang, Xue Zhang, Jinlong Cai, Shili Cheng, Cong Yu, Hui Wang, Dan Liu, Chang-Zhi Li, Tao Wang*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202102000

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202102000