Advanced Energy Materials:非富勒烯有机太阳能电池活性层微结构调控促进光生载流子生成

光生载流子是有机太阳能电池(OSC)光电转换过程的关键环节,对 OSC 器件的光伏性能有着决定性作用。对基于富勒烯受体的 OSC 的光电转换过程,人们已经有了广泛深入的研究,发现给受体的材料特性和活性层微观结构均会影响光生载流子过程。得益于给受体材料的快速发展,非富勒烯受体有机太阳能电池(NFA OSC)性能已经远超富勒烯OSC,然而,对其光电转换过程的研究相对滞后,不利于其光伏性能的进一步提升。

针对以上问题,陕西师范大学刘生忠教授、丁自成研究员团队与瑞典林雪平大学张睿博士团队展开合作,以基于新兴NFA Y6的活性层为研究对象,通过控制共混薄膜中受体Y6相高有序纳米微结构,有效地促进了受体相区分子间激发态(i-EX)的形成以及受体向给体的空穴转移的光生载流子过程,揭示了OSC器件的短路电流密度(JSC)与薄膜微结构之间的本质联系。基于该普适性结论,最终在PM6:Y6和D18:Y6分别实现了16.53%和17.98%的电池能量转换效率(PCE)。为进一步从共混薄膜形貌角度优化器件性能提供了设计原则。

首先,作者基于PM6:Y6共混体系,通过改变后处理方法成功设计出三种不同微结构类型的活性层薄膜。掠入射广角X射线散射(GIWAXS)、原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)等形貌研究结果显示,直接旋涂所得的薄膜分子有序性较差(I型),热退火处理的薄膜容易形成较大相区(II型),而经溶剂蒸气退火处理的薄膜呈现出双连续的给受体相分离网络结构,以及高度有序的Y6纳米尺度相区(III型)。

图1.不同类型活性层微结构示意图及给受体材料的化学结构

图2. 三种类型活性层的GIWAXS、AFM和TEM等形貌研究

作者进一步利用瞬态吸收光谱(TAS)研究了三种薄膜微结构对活性层光生载流子过程的影响。结果显示,与I型和II型薄膜相比,III 型薄膜具有更强的给体基态漂白(GSB)信号和更长寿命的受体GSB信号。作者分析这主要是由于III 型薄膜中“理想”微结构有效地促进Y6相区中大量i-EX的形成,并进一步经i-EX实现受体向给体的大量空穴转移。但当选择性的激发给体时,发现三种结构活性层薄膜中的电子转移过程无明显差异。

图3. 不同类型PM6:Y6共混膜的 TAS研究及III 型薄膜改善载流子产生示意图

最终,得益于III 型薄膜高效的光生载流子过程,相应OSC器件实现了最高的JSC和PCE。基于PM6:Y6体系,OSC器件PCE可从I型薄膜的15.03%提升至III 型薄膜的16.53%。而基于类似薄膜微结构,D18:Y6体系更是实现了17.98%的PCE。这项研究表明薄膜微结构在NFA OSC活性层的光生载流子过程中起着重要作用,为进一步提升新兴NFA OSC的光伏性能提供了一种形貌优化策略。

图4. 基于不同类型薄膜的PM6:Y6和D18:Y6体系的器件性能研究

陕西师范大学应用表面与胶体化学教育部重点实验室硕士生苏月羚为论文第一作者,陕西师范大学丁自成研究员、刘生忠教授,瑞典林雪平大学张睿博士为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省青年科技新星项目、中央高校基本科研业务费和高分子物理与化学国家重点实验室开放课题的支持。

论文信息:

Carrier Generation Engineering toward 18% Efficiency Organic Solar Cells by Controlling Film Microstructure

Yueling Su, Lu Zhang, Zicheng Ding*, Yi Zhang, Yin Wu, Yuwei Duan, Qiang Zhang, Jidong Zhang, Yanchun Han, Zijian Xu, Rui Zhang*, Kui Zhao, Shengzhong (Frank) Liu*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202103940

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103940