陳義旺、胡笑添團隊《先進功能材料》:三元準平面異質結策略助力有...

本體異質結（BHJ）太陽電池因其質量輕便、成本低和可柔性加工等獨特的優勢在近年來得到了極大的發展（單節器件效率已達到18.2%）。然而，本體異質結活性層穩定性不佳。這是由於本體異質結中活性層材料分布複雜難以調控，最佳形貌也總是處於亞穩態且受到熱力學控制。隨著時間的遷移，本體異質結活性層向著熱力學穩定狀態變化，導致活性層中激子分離效率不佳、器件性能下降。

針對上述問題，南昌大學/江西師範大學陳義旺教授、胡笑添研究員團隊聯合中南大學張霖教授通過引入三元準平面異質結策略，採用刮塗工藝成功印刷的大面積有機太陽電池。三元準平面異質結策略可有效製得相較於本體異質結活性層垂直相分離更加明顯的準平面異質結活性層薄膜，有利於電荷傳輸。同時，與旋塗工藝相比，刮塗所製備的薄膜更加均勻，更有利於大面積器件的製備。

團隊前期通過將第三組分富勒烯衍生物ICBA引入到PM6:IT-4F體系，降低了非輻射複合損失從而開路電壓得到恢復，最終使得大面積刮塗器件的性能得到優化（Adv. Funct. Mater.2020, 2000417）。並通過逐層旋塗給體層PM6，混合受體層F8IC:IT-4F製備出效率為14.2%的準平面異質結三元太陽電池器件，有效改善了活性層垂直組分分布（Adv. Funct. Mater.2020, 1909760）。

在此基礎上，團隊通過將給體PM6和受體混合物ICBA:IT-4F分別刮塗，成功得到有效面積為1.04 cm2的三元準平面異質結器件（PM6/ICBA:IT-4F），器件效率達到14.25%。通過直觀定性測試對活性層垂直相分離進行探索，證實了三元準平面異質結策略可有效優化活性層垂直相分離，從而提高激子分離效率和電荷傳輸。

圖1 PM6、IT-4F和ICBA的（a）化學結構式和（b）歸一化的紫外-可見光吸收光譜；（c）大面積器件照片及刮塗示意圖；（d）三種不同活性層結構器件示意圖

首先，通過刮塗方法製備三種活性層結構不同的大面積有機太陽電池器件並對其光電性能進行表徵，可得到準平面異質結結構器件光電性能優於平面異質結和本體異質結結構器件的結論。通過二次離子質譜（SIMS）和紫外相結合的方式定性的研究活性層垂直方向的物質分布。圖2表明，在活性層組分相同的情況下，相較於本體異質結活性層薄膜，準平面異質結活性層薄膜中IT-4F更趨向於在活性層表面聚集的同時，PM6趨向於在活性層底部聚集。故而相對於本體異質結，準平面異質結活性層薄膜的垂直相分離更為明顯，更加有利於激子傳輸。

圖2 （a）氟元素在不同結構、不同組分活性層薄膜中的分布二次離子質譜。（b）PM6:10%ICBA:IT-4F和（c）PM6/10%ICBA:IT-4F活性層薄膜在滴下不同量氯仿衝洗後的紫外-可見光-光譜

圖3 （a）PM6/IT-4F、（b）PM6/10%ICBA:IT-4F的GIWAXS二維圖和（c）不同結構、不同組分的活性層薄膜GIWAXS一維圖

然後，通過GIWAXS測試可得，ICBA的加入可有效提高PM6在活性層薄膜中的結晶，有利於活性層薄膜的垂直相分離。三元準平面異質結策略可使活性層垂直相分離程度擴大，從而調控活性層形貌。同時，PM6結晶性增強及其在活性層底部的聚集亦有利於器件熱穩定性的增強。由三元準平面異質結策略製備的大面積化印刷有機光伏器件在優化形貌提高光電性能的同時可有效提高其穩定性，為未來有機光伏半導體實際應用提供了一種新的有效製備方法。

該研究工作以《Printable and large-area organic solar cells enabled by a ternary pseudo-planar heterojunction strategy》為題在材料領域著名期刊《Advanced Functional Materials》上發表。本文第一作者為南昌大學博士研究生劉思奇，共同第一作者為南昌大學博士研究生陳東。通訊作者為南昌大學/江西師範大學陳義旺教授以及胡笑添研究員，合作通訊作者為中南大學張霖教授。

全文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003223

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！