本文主要由论文第一作者万继撰写。在此,特别感谢南昌大学高分子及能源化学研究院陈义旺教授课题组的大力支持。谢谢大家对我们的持续关注!

在三元有机太阳能电池准平面异质结方面取得新进展

研究背景

由化石燃料引起的能源短缺和环境污染已成为亟待解决的问题,更换清洁,可回收的绿色能源可以缓解这一问题。有机太阳能电池(OSC)是通过有效地将光能转换为电能的一种既定方法,也是一种可选方法。基于溶液处理的有机光伏(OPV)由于其许多明显的优势而在科学界引起了关注,例如重量轻,转移方便,可穿戴,柔性,半透明等。

传统的有机太阳能电池的活性层材料,绝大部分都是采用本体异质结(BHJ)的方法,即简单地将给体材料和受体材料混合在一起来制备,并取得了快速的发展,其通常有利于激子分离和载流子传输,并能够有效提升光伏体系的短路电流和填充因子。

尽管如此,BHJ结构也存在诸多缺点一方面,基于BHJ结构的活性层形貌难以调控另一方面,尽管BHJ的活性层具有更多的D/A接触界面,但是很难控制垂直相分离,特别是在三元有机太阳能电池中,部分第三组分无法很好的兼容进去导致内部可能有一些独立的孤岛区域存在,这意味着分离的电子和空穴不能有效地传输到电极表面,并最终导致重组。同时,三元本体异质结结构的未知性和复杂性也给科学研究也带来了困难。

研究成果

近日,南昌大学高分子及能源化学研究院陈义旺教授带领的研究团队在通过连续旋涂法制备准平面异质结高效三元有机太阳能电池方面取得了重要进展。该研究通过改进旋涂方法,优化了有机太阳能电池的垂直相分离,同时利用两个受体材料形成合金的特性有效地减少了三元太阳能中第三组分的无序混乱分布,提高了电池的激子分离效率和电荷传输能力,相关研究成果以《High-performance pseudoplanar heterojunction ternary organic solar cells with nonfullerene alloyed acceptor》为题,发表于材料领域著名期刊Advanced Functional Materials。论文的第一作者为南昌大学硕士生万继,通讯作者为陈义旺教授(DOI:10.1002/adfm.201909760)

该研究是基于PM6:IT-4F为主体系,通过添加近红外小分子受体F8IC作为第三组分来拓宽光谱吸收,从而提高电池稳定性和效率。在成功制备了三元BHJ太阳能电池的基础上,创造性地将两个非富勒烯受体材料溶解在一起,然后逐层旋涂给体层,混合受体层制备出效率为14.2%的准平面异质结三元太阳能电池器件,这对有机太阳能电池的结构优化和材料的最大化合理利用具有重要意义。

图文解析

在三元有机太阳能电池准平面异质结方面取得新进展

Figure 1. a) Schematic diagram of the P-ternary devices. b) Chemical structures of donor PM6 and acceptors of IT-4F and F8IC. c) Normalized electronic absorbance spectra of pristine PM6, IT-4F and F8IC films. d) Absorption spectra of binary, B-ternary and P-ternary films.

该研究所用的材料是当前十分热门的给体材料PM6,以及小分子非富勒烯受体材料IT-4F和F8IC;通过将两个结构相似的小分子很好地溶解在一起,极大地提高了第三组分受体材料的利用率,很好地调控了活性层中垂直组分的分布。给体材料更接近于空穴传输层,受体材料更接近于电子传输层,从而有效地减少了活性层中孤岛区域的出现,同时可发现基于连续旋涂法制备的器件活性层吸收系数得到了显著提高

在三元有机太阳能电池准平面异质结方面取得新进展

Figure 2. a) Energy levels diagram of PM6, F8IC and IT-4F. b) Voc dependence of IT-4F content of OSCs. c) HOMO and LUMO evolution of IT-4F:F8IC mixed materials depending on F8IC content. d) Water contact angles of PM6, IT-4F, F8IC, and IT-4F:F8IC films. e) DSC curves of the IT-4F, F8IC and IT-4F:F8IC blend at a scan rate of 10°C /min under nitrogen atmosphere. f) Grazing incidence X-ray diffraction spectra of PM6, IT-4F, F8IC and IT-4F:F8IC films.

对于两个非富勒烯小分子溶解在一起之后所形成的受体层,该团队进行了进一步的深入研究,结果表明这两个结构十分相似的小分子在混合溶解之后,具有非常好的兼容性,且形成了一个新的合金受体小分子。如图2所示,这一研究结果表明可以通过选择合适的第三组分材料,使之与主受体形成合金,可将三元太阳能电池二元化,且更有利于制备准平面异质结结构的高效三元太阳能电池

在三元有机太阳能电池准平面异质结方面取得新进展

Figure 3. a) GIWAXS patterns of the Binary, B-ternary and P-ternary films and b) the out-of-plane and in-plane line-cut profiles of the GIWAXS patterns.

如图3所示,进行了掠入射广角X射线散射(GIWAXS)测试(GIWAXS were provided technical support by Ceshigo Research Service "www.ceshigo.com “. ),以研究共混膜的分子堆积和取向。由于聚合物给体的强结晶性,二元本体异质结,三元本体异质结和三元准平面异质结膜的分子取向相似,它们都表现出显著的face-on分子取向。基于相似的分子取向和行为,得出了体系结构的演变对分子结晶性影响不大的结论

在三元有机太阳能电池准平面异质结方面取得新进展

Figure 4. a–c) AFM height images and d–f) phase images, g–i) TEM images of IT-4F, F8IC and IT-4F:F8IC films.

如图4所示,单独的小分子活性层形成了较大尺寸的相分离,不利于激子分离与电荷传输,而合金受体的相分离逐渐减小,形成纤维状相分离和纳米级的互穿网络结构,抑制了激子复合,因而显著提升了器件效率

研究小结

本文通过巧妙且合理地选择第三组分受体,使其与主受体融合在一起形成合金受体,调节了活性层的结晶性质,从而优化了相分离形貌。同时,该方法有利于将合金受体材料应用于连续旋涂法中来制备准平面异质结三元有机太阳能电池,获得较高的可重复性和器件稳定性,该方法为三元有机太阳能电池活性层形貌优化开辟了新的思路。

团队介绍

南昌大学高分子及能源化学研究院杰青获得者陈义旺教授及其团队,一直致力于高性能有机太阳能电池关键材料的研发、器件制备研究。目前主要研究方向包括:有机小分子、高分子太阳能电池关键材料(给体/受体/界面材料)的分子设计与合成;钙钛矿太阳能电池关键材料及结构(空穴传输层/电子传输层)的设计;有机小分子、高分子太阳能电池、钙钛矿太阳能电池器件性能及工艺优化研究;超级电容器的设计合成与研究;电催化机理的研究等等。

近年来在有机光伏领域取得一系列重要研究成果。(J. Am. Chem. Soc. 140 (6), 2054-2057 (2018), Angew. Chem. Int. Ed. 57 (17), 4580-4584 (2018), Adv. Energy Mater. 9 (18), 1900198 (1-9) (2019), Adv. Energy Mater. 8 (24), 1801214 (1-7) (2018), Adv. Mater. 29 (27), 1606656 (1-9) (2017), Adv. Mater. 28 (24), 4852-4860 (2016))