Small Structures:微量溶剂添加剂促进逐层涂覆有机太阳能电池的电荷产生

有机太阳能电池(organic solar cells,OSC)与其他光伏器件相比具有轻量级、高柔性、光学半透明和低成本等优点。在制备时引入体异质结(Bulk-heterojunction,BHJ)光活性层是一种提高有机太阳能电池功率转换效率的常用方法。这种体异质结有机太阳能电池具有较大的施主-受主界面面积,确保了激子淬灭和电荷分离的进行,并且有助于电荷载流子渗透进施主-受主互穿3D网络。但这种方法对材料的性质和工艺条件有很高的要求,最佳施主-受主形貌难以获得,从而限制了器件的性能。而逐层涂覆(Layer-by-layer,LbL)制备有机太阳能电池相较于传统体异质结构的制备方法降低了对加工步骤中溶剂的依赖性,具有更好的热稳定性并提升了电荷传输能力。近期,采用逐层涂覆方法制备的有机太阳能电池受到了广泛关注,一些已报道的成果也显示逐层涂覆甚至要比体异质结的转换效率要更高。其中,溶剂添加剂的种类和添加量在施主和受主分子的结晶和取向起着重要的作用,但少有溶剂添加剂对逐层涂覆有机太阳能电池性能影响的基本光谱研究的报道,这是理解逐层涂覆复合过程以及溶剂添加剂对电荷载流子的产生及重组的关键。

阿卜杜拉国王科技大学Frédéric Laquai课题组等对高性能聚合物施主PM6和Y6受体的结合进行研究, 采用溶剂添加剂辅助的逐层涂覆法制备高效率有机电致发光材料。从氯苯(CB)中沉积PM6施主,从含有不同体积比溶剂添加剂1-氯萘(CN)的氯仿溶液中沉积受主Y6。通过电流密度-电压(J-V)测试、掠入射广角X射线散射(GIWAXS)、原子力显微镜(AFM)和瞬态吸收光谱(TA)分析了CN对器件性能以及载流子动力学的影响。

结果表明,CN的加入对受主的结晶过程有很大的影响,这也使逐层涂覆薄膜的微观结构发生改变。CN的加入增强了晶体有序性,但随着添加量的增加,当CN浓度达到0.5%时,功率转换效率明显提高。这是由于溶剂添加剂含量的控制导致在这个添加量下光活性层微观结构发生变化,改善了电荷载流子的产生和运输。GIWAXS数据表明,在Y6中添加0.5%的CN的逐层涂覆薄膜的性能类似用0.5%CN处理的体异质结薄膜。更高的CN含量则会导致膜层的结晶程度增加,同时膜层粗糙度增加,光激发态的衰减更快。TA光谱结果也显示出过量CN的添加会造成复合时非成对重组导致损失。

综上所述,通过控制逐层涂覆有机太阳能电池中溶剂添加剂的含量对于电池的性能有着重要的影响,适当的添加剂比例时实现高功能转换效率的关键因素。通过调整涂覆层的微观结构,逐层涂覆的有机太阳能电池的功率转换效率仍有进一步提升的空间。

论文信息:

Trace Solvent Additives Enhance Charge Generation in Layer-by-Layer Coated Organic Solar Cells

Safakath Karuthedath*, Yuliar Firdaus, Alberto D. Scaccabarozzi, Mohamad Insan Nugraha, Shahidul Alam, Thomas D. Anthopoulos, Frédéric Laquai*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100199

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100199