Advanced Functional Materials:交互型本体异质结实现高性能有机太阳能电池

有机太阳能电池是一种使用有机半导体材料作为感光活性层,并将太阳能转化为电能的器件。提升有机太阳能电池光电转化效率是该领域科研工作者一直以来努力追求的重要目标。感光活性层作为吸收光子产生激子并解离成载流子的核心结构部分,是影响器件性能的关键。除了开发新型有机半导体材料外,通过优化感光活性层的结构也是提升有机太阳能电池光电转换效率的有效方式。从早期的单组分肖特基太阳能电池和双层异质结太阳能电池发展到目前广泛采用的本体异质结太阳能电池器件结构,这是综合考虑肖特基势垒、激子传输距离、激子解离效率、载流子传输效率等因素逐步优化的结果。本体异质结虽然高效,但是其形貌控制面临巨大挑战,尤其是制备大面积器件时可重复性问题更加突出。近年来,通过分步溶液涂布制备的准平面异质结结构在获得高性能的同时保持了较为简单的制备工艺。然而,准平面异质结的相分离也难以控制,给受体界面相对有限,不利于器件性能的提升。从同时实现高效率的激子解离和电荷传输而言,给受体交互型本体异质结(Interdigitated Bulk Heterojunction, IHJ)结构是最为理想的活性层结构。然而,迄今没有一种很好的方法实现这样一种高性能的器件结构形式。

近日,四川大学彭强教授团队通过在给体溶液中加入添加剂的方式,简单有效地制备出了高性能的给受体交互型本体异质结,显著提升了有机太阳能电池的光电转换性能所制备的基于PM6给体和L8-BO受体的非富勒烯有机太阳能电池器件效率高达18.74%,高于目前广泛使用的基于本体异质结结构的有机太阳能电池(18.10%)。

图 1. 给受体交互型本体异质结(IHJ)器件结构及其光伏性能

该团队在给体聚合物PM6的氯苯溶液中加入微量(0.5 wt%)的与PM6不互融的蜡(para film)添加剂,该添加剂在PM6的氯苯溶液中形成蜡/氯苯纳米液滴,从而促使在成膜过程中的相分离和PM6纳米线的形成。在成膜后期,随着纳米液滴中氯苯溶剂的挥发,使得PM6薄膜形成纳米多孔结构。随后,L8-BO受体溶液在涂布时,L8-BO分子填充到纳米多孔里面,最终形成交互型本体异质结结构。不使用添加剂的薄膜则没有多孔,所制备的活性层是准平面异质结结构。与此同时,作者还制备了基于PM6和L8-BO的本体异质结器件作为对比。研究表明交互型本体异质结结构具有更高的激子解离和载流子传输效率,因此光电转换效率也从准平面异质结的17.21%和本体异质结的18.10%显著提升至18.74%。作者同时发现该方法具有较好的普适性。结果表明,通过加入蜡添加剂形成纳米多孔结构是制备高性能交互型本体异质结活性层结构是制备有机太阳能电池的简单有效方法。此研究为进一步提升有机太阳能电池光伏器件性能提供了新的思路。

论文的第一作者为四川大学化工学院研究员徐小鹏博士,通讯作者为彭强教授,共同通讯作者为澳大利亚新南威尔士大学(University of New South Wales)戴黎明教授。

论文信息:

Polymer Solar Cells with 18.74% Efficiency: From Bulk Heterojunction to Interdigitated Bulk Heterojunction

Xiaopeng Xu, Liyang Yu, Huifeng Meng, Liming Dai*, He Yan, Ruipeng Li, Qiang Peng*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202108797

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108797