陈义旺&张有地团队AFM:基于二元添加剂策略制备高性能赝平面异质结有机太阳能电池

发表时间：2021-06-22 17:27作者：知研光电材料

导语：基于二元添加剂策略制备高性能赝平面异质结有机太阳能电池，光电转换效率高达16.93%。

更多光电前沿资讯和材料，可关注微信公众号“有机光电前沿”与“知研光电材料”。

1.前言

近几十年来，有机太阳能电池（OSCs）受到了广泛的关注，这归功于其具有重量轻、成本低、灵活性强、易于卷对卷加工的众多优点。目前，制备OSCs活性层的工艺技术分为两类：1.一步沉积工艺；2.顺序沉积工艺（又称两步沉积或逐层沉积）。体异质结（BHJ）OSCs是通过一步沉积混合溶液制备的，该溶液是由给体分子和受体分子共混而成。随着光伏和界面材料的创新和器件结构的不断优化，BHJ-OSCs的单结器件光电转换效率（PCE）已经突破了18%。

活性层的形貌与电荷转移和运输过程直接相关，是影响BHJ-OSCs性能的决定因素之一。然而，一步沉积技术制备的BHJ-OSCs可能会使得光伏器件形貌的复杂演化，从而导致不理想的垂直相分离，不利于电荷转移和收集。与一步沉积相比，顺序沉积在形貌控制方面具有更多的优势。这些优势主要体现在以下几个方面：1.给体和受体可以独立控制；2.每种光伏薄膜都能保持其结晶性；3.更容易形成理想的垂直相分离形态，使给体在阳极富集，受体在阴极富集，有利于促进电荷传输和抑制电荷复合。事实上，上溶剂对底层膜的腐蚀和活性层形貌的精确控制是顺序沉积技术中需要解决的两个最主要问题。

2.简介

基于以上的因素，近日，南昌大学陈义旺教授、张有地副教授研究团队采用基于PM6:Y6的典型二元体系，并结合溶剂添加剂，通过顺序沉积法制备了一种赝平面异质结（PPHJ）OSCs。其中，PM6溶液处于下层，Y6溶液处于上层，二者均由氯仿溶解。而后，通过添加适量的1,10-癸二醇（DDO）和1-氯萘（CN）溶液来分别控制PM6和Y6的形态。研究发现，PM6的结晶度随着DDO的加入而增强。同时，在Y6层加入CN添加剂，可以适当地控制其形貌，有利于Y6分子形成有序的晶体结构。通过顺序沉积过程，最终形成了理想的垂直相分离形态，从而抑制电荷复合，增加载流子的运输。

与一步沉积处理相比，顺序沉积处理的基于PM6:Y6的器件效率从15%提高到16.93%，同时短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）显著增加，分别为25.13 mA cm-2和77.45%。为了验证该策略的普遍通用性，研究人员以此方法同样制备了基于PM6:IT-4F的器件。结果发现，该方法处理的器件PCE为13.5%，而一步沉积处理的器件PCE为12.3%。这些数据说明，采用二元溶剂添加剂分别控制给体和受体形态，结合顺序沉积工艺从而制备高性能PPHJ-OSCs不失为一种有效方法。

3.总结

综上，该工作不仅细致讨论了不同沉积方式对OSCs性能的影响，同时也为制备更高性能的PPHJ-OSCs提出了一种新的策略。相关研究成果现已发表在国际材料与器件领域著名学术期刊《Advanced Functional Materials》上，题为“High-Efficiency (16.93%) Pseudo-Planar Heterojunction Organic Solar Cells Enabled by Binary Additives Strategy”。

本文关键词：有机太阳能电池，一步沉积，顺序沉积，赝平面异质结，PM6，Y6。