科研人員在大面積印刷有機太陽能電池研究領域取得重要進展

2020-09-03 光伏人

有機太陽能電池因為其柔性、質輕、可以溶液法加工等特點長期以來受到廣泛的關注。

得益於非富勒烯受體的快速發展，有機太陽能電池單節效率已經突破18%。然而目前高性能的器件大多通過實驗室中小面積旋塗成膜製備得到，為了進一步適應商業化應用的要求，發展大面積印刷加工技術迫在眉睫。

狹縫擠出成膜結合卷對卷加工是最有望實現有機太陽能電池大面積印刷的技術。不同於旋塗加工的溶劑快速蒸發成膜過程，加上剪切力的作用，印刷加工的成膜過程是個緩慢且複雜的過程，容易造成薄膜內部的結晶和相分離尺寸過大，從而降低器件性能。因此，如何調控印刷加工過程的聚集/結晶動力學獲得合適的結晶和相分離形貌是製備高性能印刷電池器件的關鍵。在有機太陽能電池領域，通過印刷加工動力學調控活性層形貌製備高性能有機太陽能電池的策略鮮有報導。

西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗馬偉課題組近期通過原位表徵技術（原位膜厚表徵，原位吸收光譜表徵，原位廣角X射線散射表徵）對印刷加工過程中薄膜的結構演變進行了詳細研究，通過平衡給受體的成膜聚集/結晶動力學優化形貌製備了高性能印刷有機太陽能電池器件。

課題組首先研究了刮塗這種實驗室大面積印刷加工的原型工具的成膜過程形貌演變。

研究發現，在刮塗製備PBDB-T:FOIC體系的器件時，受體FOIC的結晶性過強導致器件性能變差，通過先預沉積一層薄的PBDB-T:IT-M層，可以在加工PBDB-T:FOIC這一主體系時為給體PBDB-T的結晶提供大量聚合物晶核，同時抑制受體FOIC的結晶，使得給受體結晶動力學更平衡，從而獲得了最高11.9%的光電轉換效率（PBDB-T:FOIC體系為10.5%）。

課題組進一步對狹縫擠出成膜過程進行了細緻的表徵，通過改變加工溫度實現對狹縫擠出成膜加工動力學過程的有效調控。研究發現，在PM7:IT4F體系中，使用60oC溶液加工可以有效地平衡給受體的聚集速率，從而抑制了過大的相分離，促進了激子的解離；而使用60oC基底加工可以有效平衡給受體的結晶形核和長大速率，從而儘可能的提高結晶度，促進了載流子的傳輸，最終獲得了13.2%的印刷器件效率。

課題組將這一工藝-形貌-性能構效關係應用到高效的PM6:Y6體系，調節加工溫度在使用含滷溶劑（氯苯）和綠色溶劑（二甲苯、三甲苯）加工時獲得相似的動力學過程（給受體聚集/結晶動力學平衡），從而獲得和旋塗加工相媲美的印刷器件效率，同時也是目前印刷加工二元有機太陽能電池器件的最高光電轉換效率（15.6%）。課題組關於印刷加工聚集/結晶動力學調控以及印刷工藝-形貌-性能構效關係的研究對今後有機太陽能電池的大面積印刷加工有著重要指導意義。

相關研究發表在Adv. Energy Mater.（先進能源材料），Energy&Environ. Sci.（能源環境科學）和Adv. Mater.（先進材料）上。這三篇高水平論文的第一作者分別是博士生王藝林、林保均、趙恆。馬偉教授為三篇論文的通訊作者，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室均為第一單位。該研究得到了東華大學唐正教授，慕尼黑工業大學Peter Muller-Buschbaum教授的支持。該研究得到科技部重點計劃、國家自然科學基金、中國博士後科學基金、西安交通大學基本科研業務費，德國電子加速器研究所（DESY）的支持。

來源：西安交通大學

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