「氟碳溶劑熱浸泡」優化有機太陽能電池活性層形貌|Nature Communications

2021-03-04 Nature Portfolio

有機太陽能電池具有輕薄、柔性和可高通量溶液加工等獨特優勢，作為新一代光伏技術而受到廣泛關注。為了實現高的光電轉換效率和契合產業化需求，獲得理想的本體異質結（BHJ）形貌仍是關鍵。在BHJ中，如果給/受體分子能夠通過微相分離形成雙連續的網狀結構，並且自富集域維持在20-30 nm的尺度，這樣的結構將有利於激子分離和載流子傳輸，從而提升光伏器件的性能。但是，目前對BHJ形貌精準調控的手段比較有限，已有方法的普適性和優化效果仍然有較大提升空間。針對這個挑戰，作者開發了一種基於氟碳溶劑的後處理方法。氟碳溶劑具有雙疏特性，對有機光伏材料和界面材料的溶解性較低。因此，氟碳溶劑作為熱導率更高的液體介質，在浸泡過程中提供快速和均一的熱量傳遞，既可加速給/受體分子的重組運動，又能保證已沉積的功能層和活性層不被破壞。更為重要的是，氟碳溶劑與有機溶劑具有溫度依賴的互溶性，達到臨界溫度後，氟碳溶劑與旋塗加工的殘留溶劑融合成一相，在活性層內部滲透，能夠快速和選擇性地重新排列給/受體分子。最終，在熱和氟碳/有機混合溶劑的協同作用下，該方法可以在較低的溫度和較短的時間內有效地調控有機分子在共混膜中的重新排布，獲得微納尺度的相分離和雙連續網狀結構。

以PM6:Y6體系為例，經過10分鐘90 °C的熱退火之後，器件的效率可達15.96%。而將活性層浸泡在全氟甲基環己烷（PFMCH）中，當達到PFMCH與與殘留的氯仿和氯萘的共混溫度(>50 °C)後，1分鐘的浸泡就使得器件的光電轉化效率迅速升高。為了進一步發揮氟碳溶劑的優勢，作者選用了與殘留溶劑互溶性更好，處理溫度窗口更大的全氟甲苯(PFT)進行探索，通過80 °C下30秒的浸泡，獲得了16.52%的光電轉化效率，優於無後處理（15.21%）和傳統熱退火處理（15.96%）的器件性能。通過AFM，nano-IR，TEM和GIWAXS等測試可知，由PFT處理後的BHJ形貌更加理想，主要表現為：混合膜吸光範圍小幅紅移，受體小分子Y6通過重組運動獲得更高的排列有序度，給體聚合物PM6組裝為尺寸適中的纖維網狀，從而器件的載流子遷移率更高，自由電荷的複合減少，最終在光伏器件中表現為更高的填充因子和短路電流密度。

此外，作者還將氟碳溶劑熱浸泡方法應用於包括全小分子和全聚合物體系在內的其他材料體系，均可以優化形貌和提升器件性能，說明該方法具有優秀的普適性。特別是在一些體系中，傳統的熱退火方法無法提升甚至會破壞器件性能，但氟碳溶劑熱浸泡方法仍然展現了良好的器件優化效果。這項工作發展了一種全新的用於BHJ形貌調控的新策略，相較於傳統的熱褪火方法，該方法具有溫度低、處理時間短、普適性好等優勢，為有機薄膜光電器件的性能優化提供了新的思路。

該工作的第一作者為鍾洪亮課題組博士生單通，共同通訊作者為中科院蘇州納米所陳琪，上海交通大學劉烽，中科院蘇州納米所/上海交通大學陳立桅，上海交通大學鍾洪亮。

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