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Adv. Mater:构筑活性层双纤维网络形貌、提升介电常数制备高性能as-cast有机太阳能电池

【研究背景】

有机太阳能电池(OSCs)因具有质量轻、本征柔性,可溶液法加工等优点而受到国内外的广泛关注,其能量转化效率(PCE)已经超过20%。然而,高性能OSC活性层通常需要复杂的形貌优化过程,例如:引入添加剂、热退火、溶剂退火等。添加剂残余对器件稳定性有不良影响。热/溶剂退火与卷对卷的加工技术不兼容。聚合物给体和小分子受体结晶性的差异,可能导致主链构象紊乱,不采用添加剂和后处理难以获得理想活性层形貌。因此,开发工艺简单的无后处理的高性能有机太阳能电池(as-cast器件)不仅是领域内研究的重点和难点,同时是有机太阳能电池实现商业化应用的必然要求。本篇观点通过构筑双纤维网络形貌和提升介电常数策略提高as-cast器件激子解离、电荷传输、降低电荷复合,获得高性能as-cast有机太阳能电池。

【文章简介】

近日,课题组,在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“High Performance as‐cast Organic Solar Cells Enabled by a Refined Double‐fibril Network Morphology and Improved Dielectric Constant of Active Layer”的观点文章。该观点文章以高介电常数的聚合物受体材料作为第三组份,构建双纤维网络形貌,制备高性能as-cast有机太阳能电池。

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图1. 高性能as-cast有机太阳能电池。

 

【本文要点】

要点一:器件性能

聚合物电子受体PY-TPT的能级位置为-5.65/3.80 eV。相比于L8-BO,PY-TPT上升的 LUMO能级将有利于减少D18:L8-BO:PY-TPT的器件的能量损失,从而提高相应器件性能。以其作为第三组份制备的as-cast有机太阳能电池(D18:L8-BO:PY-TPT)获得了18.60%的能量转化效率(认证效率为18.2%),其开路电压为0.926 V,短路电流为25.67 mA•cm-2,填充因子为78.27%,这是迄今为止报道的as-cast有机太阳能电池的最高效率;相应的绿色溶剂(邻二甲苯)加工、厚膜(300 nm)和模组(16.60 cm2)OSC分别获得了17.45%、17.54%和13.84%的PCE。PY-TPT的引入有利于促进混合薄膜内部的电荷产生与传输,抑制电荷复合,进而获得优良的光伏性能。

要点二:能量损失

在Marcus理论框架下导出的理论中,利用电致发光(EL)和高灵敏的外量子效率特性对能量损失进行了详细分析,以深入了解as-cast器件的Voc差异。总能量损失(Eloss = ECTqVoc)由两个主要贡献组成:一个是辐射能量损失(∆Er),另一个是非辐射能量损失(∆Enr)。通过拟合高灵敏外量子效率的尾态和电致发光(EL)光谱, D18:L8-BO、D18:PY-TPT和D18:L8:BO:PY-TPT体系的电荷转移(CT)态能量(ECT)分别为1.392、1.449和1.391eV。D18:L8-BO:PY-PT的器件的∆Er和∆Enr分别为0.194 eV和0.271 eV,低于D18:L8-BO的器件(0.199 eV和0.278 eV)。因此D18:L8:BO:PY-TPT器件中的总电压损耗(0.465 eV)低于D18:L8-BO器件的总电压损失(0.477 eV),这与三元器件较高的Voc一致。

要点三:形貌研究、介电常数

通过近场红外成像的PiFM测试,进一步研究了活性层中的给体/受体相分离。在D18:L8-BO薄膜中引入PY-TPT后,薄膜表现出双连续双纤维网络形态。更重要的是,D18:L8-BO:PY-TPT薄膜的18.4 nm(给体)和16.6 nm(受体)的原纤维直径比D18:L8-BO薄膜(17.0 nm给体和13.0 nm受体)的大且更匹配,这有利于有效的激子解离和电荷传输。

增加介电常数(εr)将有利于降低CT激子的结合能。与L8-BO薄膜(εr = 3.91)相比,PY-TPT具有更大的介电常数(εr = 4.71)。随着PY-TPT的引入,D18:L8:PY-TPT薄膜的介电常数(εr = 4.82)相较于D18:L8-BO薄膜(εr = 4.17)有所提高。因此,降低的结合能有利于改善电荷提取和减少电荷复合,有利于提高as-cast器件的光伏性能。

要点四:前瞻

当前有机太阳能电池的性能不断提高,as-cast器件也获得了可观的光伏性能,但是as-cast薄膜的微观形貌演变对器件性能的影响机制尚未明确。因此,发展新型原位动态表征技术,实现有机太阳能电池真实工作状况下“分子结构—微观形貌—器件性能”的机制解析非常重要。探究分子结构对薄膜微观形貌作用机理,揭示纳米纤维网络形貌对器件性能的影响机制,将进一步推进新型高性能as-cast有机太阳能电池的发展。

【文章链接】

High Performance as‐cast Organic Solar Cells Enabled by a Refined Double‐fibril Network Morphology and Improved Dielectric Constant of Active Layer

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202403294


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