Small Methods:探索三维纳米形貌以优化三元有机太阳能电池的性能

高效稳定的三元有机太阳能电池能够提高太阳能的商业应用。为了实现商业化的最终目标,采取先进的表征技术来研究三元共混膜的复杂形貌是至关重要的,这可以为器件优化提供有效的指导。目前,尽管已经使用了一系列技术,例如原子力显微镜 (AFM) 和扫描电子显微镜 (SEM),来表征共混膜表面的形貌,但是有机太阳能电池中真实的三维形貌可视化依然具有挑战性。最近,光诱导力显微镜 (PiFM) 技术已经被用于有机太阳能电池中,它能够将 AFM 图像与红外(IR)光谱结合起来研究共混膜表面上给受体材料的分布情况。但是,该技术只能提供共混膜的表面成分分布的信息。如果想进一步提高三元有机太阳能电池的性能,需要同时探索共混膜表面和横截面的三维纳米形貌,这样可以更好地控制形貌并且提高激子解离以及电荷传输。虽然,能量过滤透射电子显微镜 (EFTEM) 结合电子能量损失光谱 (EELS) 可以用于表征在 Cu 网格基底上的共混膜材料。但是,该技术并未用于表征有机太阳能电池中横截面的形貌。因此,三元共混膜中真实的三维形貌还没有被揭示。

近日,加拿大魁北克大学,国家科学研究院(INRS) Ma Dongling 课题组的博士生Yu Ting使用非富勒烯受体 PDI-DPP-PDI作为第三组分,制备了三元有机太阳能电池,并且对三元共混膜的形貌进行了深入的探究。首先,PiFM/IR技术的使用可以通过化学结构的鉴定定性地研究共混膜中给受体材料的分布,同时定量地探测了PDI-DPP-PDI 受体材料对共混膜中纳米区域和区域尺寸的影响。此外,EFTEM/EELS技术首次使用在光伏领域,可视化了三元有机太阳能电池中超薄横截面(50-70 nm)的纳米级形貌。这些表征使我们能够同时“查看”三元共混膜的表面和横截面形貌,并且提供了强有力的证据,表明了PDI-DPP-PDI 受体材料可以抑制富勒烯的聚集,使得给受体材料产生了更均匀的分子混合相,可以防止电荷的复合和稳定三元共混膜的形貌。因此,引入PDI-DPP-PDI受体分子在共混膜中,可以提高器件的光伏性能,并且使得封装的三元有机太阳能电池具有更好的空气稳定性、耐湿性和光稳定性。此研究首次使用了先进的PiFM/IR和EFTEM/EELS表征技术对真实的三维共混膜的形貌进行了探索,并且得到了高效稳定的三元有机太阳能电池。我们可以将该技术扩展到其他太阳能电池体系中,从而有助于太阳能电池的普遍发展。

论文信息:

3D Nanoscale Morphology Characterization of Ternary Organic Solar Cells

Ting Yu, Wanting He, Maziar Jafari, Tugrul Guner, Pandeng Li, Mohamed Siaj, Ricardo Izquierdo, Baoquan Sun, Gregory C. Welch, Aycan Yurtsever, Dongling Ma*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100916

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100916