Small Science:基于Y6类受体的三元形貌调控实现光伏性能提升

近年来,有机光伏领域由于新型受体材料的开发而迅速发展,器件光电转换效率已经超过18%。由于有机半导体中光生激子的本征物理特性,需要匹配合适尺度的本体异质结形貌,才能获得高的能量转换效率。早期的研究中,受体材料主要采用富勒烯受体PCBM,该材料电子传输性能好,结晶性弱,形貌简单。而非富勒烯受体材料多样性高,物性差异大,给受体的结晶可以诱导形成多尺度的复杂结构,形貌调控难度大,构效关系不明确。如何理解非富勒烯共混薄膜内部的运作机制,并有效地指导新型材料的开发和器件制备工艺的改进,是效率进一步提升的关键。

图1.非富勒烯受体的分子结构

解决非富勒烯体系的形貌问题,核心思路是解决非富勒烯受体结晶形貌的问题。近年来Y6类受体的出现极大地提升了器件的效率,而其结晶形貌的调控依然比较困难。上海交通大学刘烽研究员课题组在认识到Y6受体特殊的类聚合物堆积结构的基础上,联合浙江大学朱海明课题组、美国马萨诸塞大学Thomas P. Russell课题组、中科院化学所朱晓张课题组,对其结晶形貌优化开展了一系列的工作。对于晶体形貌的调控,除却采用调控结晶过程的动力学方法外,设计合适的热力学本征调控策略,是另一条有效的途径。采用结构近似的受体组合,课题组在高效率PM6:Y6基础体系上,通过加入受体材料(AQx-1 和 AQx-2)来调控共混膜的整体形貌。由于材料的近似性,相对结晶性质不受影响,反而有所增强,而强势的结晶形态对薄膜相分离形貌有很强的调控作用,可以提升激子扩散和电荷转移的效率,降低传输过程中的双分子和缺陷复合,使得器件的短路电流和填充因子有明显的提升。同时AQx-2,尤其是AQx-1的加入降低了体系的能量无序性,抑制了体系的能量损耗,提升了器件的开路电压,获得17.86 %的光电转换效率。

图二.共混薄膜形貌表征

图三.电池器件性能表征

本文通讯作者是浙江大学朱海明研究员,美国马萨诸塞大学Thomas P. Russell教授,中科院化学所朱晓张研究员和上海交通大学刘烽教授。

Manipulating the Crystalline Morphology in the Nonfullerene Acceptor Mixture to Improve the Carrier Transport and Suppress the Energetic Disorder

Ming Zhang, Lei Zhu, Chaoqun Qiu, Tianyu Hao, Yufeng Jiang, Shifeng Leng, Jiajun Chen, Guanqing Zhou, Zichun Zhou,Yecheng Zou, Xuan Su, Zhiwen Shi, Haiming Zhu*, Yongming Zhang, Thomas P Russell*, Xiaozhang Zhu*, Feng Liu*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100092

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202100092