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一种用于制备高性能分层堆积有机太阳能电池的普适性方法

  有机太阳能电池(OSC)因成本低、重量轻、可柔性制备等优点而受到广泛关注。随着材料开发和器件工程的发展,单结有机太阳能电池的能量转化效率已超过18%。在传统的本体异质结(BHJ)结构的有机太阳能电池中,给受体的随机相分离严重影响了薄膜的形貌,从而影响太阳能电池的效率和稳定性。近年来,将给受体逐层旋涂而制备成分层堆积结构的器件(SD器件)有利于控制每层薄膜的形貌,达到平衡的电荷传输,以及直接的传输通道,从而提升器件的稳定性和效率。因此,一系列方法包括真空沉积、薄膜转移和正交溶剂等被用来制备分层的OSC,并取得了显著的研究进展。然而,大多数该类方法都不具有普遍性,难以应用于所有的给受体体系,因此在商业化应用中存在局限性。

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  近期,中国科学院大学黄辉教授团队与其合作者发展了一种普适性方法用于制备分层堆积结构的有机太阳能电池,并将其命名为环境友好型溶剂保护法(ESP)。该方法利用环境友好型溶剂作为给体和受体之间的保护层,从而制备高性能的垂直相分离结构的分层堆积器件。通过研究不同保护溶剂对给体薄膜的保护作用的差异,从而筛选出最优的保护溶剂,并对其机理进行深入研究。

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   基于D18、N3体系,分别制备了BC器件和SD器件有/无保护溶剂的器件。在8种保护溶剂中筛选出的正辛烷具有最优的保护性能。以正辛烷为保护溶剂的SD器件(D18/n-octane/N3)具有最优的光伏性能,其对应的EQE光谱可达80%以上,并在520nm处达到86%;该器件具有较弱的复合和较高的激子解离效率;器件的能量转化效率(PCE)达到了17.52%,对应的开路电压(VOC)为0.834 V,短路电流(JSC)为of 27.79 mA/cm2,填充因子(FF)为 of 75.61%,为目前逐层旋涂法制备的OSC的最高效率。进一步研究表明,该ESP方法对富勒烯和非富勒烯的多个给受体材料体系都具有普适性,有利于将来的商业化应用。

   在ESP方法中,保护溶剂应同时满足两个条件:

   一、保护溶剂在给体薄膜表面具有良好的铺展性;

   二、在旋涂过程中,保护溶剂不能完全挥发。

   因此,保护溶剂在给体薄膜表面的铺展系数(S)和溶剂的挥发度(P)是值得关注的。于是,新的参数——保护因子(δ)被定义。

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   该参数被用来衡量溶剂对给体材料的保护性能。并且,该工作建立了保护因子δ与PCE定量的关系曲线,并将其推广到多个给受体体系。保护因子的提出为理解ESP方法的机理和保护溶剂的选择提供了思路。

  以上相关成果近日在能源与环境的著名期刊《Energy & Environmental Science》在线发表。论文第一作者为中国科学院大学材料科学与光电技术学院2019级博士研究生魏亚男,通讯作者为中国科学院大学黄辉教授、Linköping University高峰教授和国家纳米科学中心丁黎明教授。上述研究工作得到了科技部重点研发计划,国家自然科学基金委和科学院相关经费的支持。

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