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浙江大学陈红征团队《AM》:逐步沉积携手三元攻破18%以上有机光伏效率

高分子科学前沿

 作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

有机光伏电池(OPVs)作为新一代光伏技术,承载着绿色能源的美好愿景。在迈向商业应用的道路上,改善有机光伏电池的光电转化效率,是目前的首要考虑因素。而实现OPVs效率的提升,目前主要集中在两个方面:一是新型光伏材料的设计;二是新型器件工艺的开发。譬如,在新型光伏材料的设计上,最近兴起的Y系列受体材料,可以平衡低能损和高光电流响应之间的矛盾,从而使OPVs的效率跃升到17%以上。再譬如,在新型器件工艺的开发上,采用多组分(至少三个组分)的活性层材料来实现光电性质互补和形貌优化,也能大幅改善器件性能。然而,不管是新型光伏材料的设计还是新型器件工艺的开发,改善活性层的形貌,使之趋近于理想的状况至关重要。由于OPVs采用三明治型的纵向分布结构,比较理想的活性层形貌,应该是具有一定纵向分布的,即给体更富集在阳极附近,而受体更富集在阴极附近。然而,非富勒烯OPVs由于给受体相似的化学结构所导致较好的相容性,使纵向分布结构的形成变得困难重重。研究人员也尝试采用逐步沉积(LbL)的方法来调控纵向分布,但又往往会受到一些条件的限制,大大降低了普适性。

鉴于此,浙江大学陈红征教授、左立见研究员携手香港中文大学路新慧教授,报道了一种调控活性层纵向分布、实现18%以上高效率的新策略。该策略将逐步沉积的方法与三元组分相结合,引入一种低相容性的不对称受体作为第三组分,在逐步沉积的过程中,实现结晶的增强和纵向分布的形成,从而改善活性层中的电荷产生与电荷收集,实现效率的最大化。相关工作以“Layer-by-Layer Processed Ternary Organic Photovoltaics with Efficiency over 18%”为题,发表在材料类期刊《Advanced Materials》上。

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该工作采用PM6:BO-4Cl作为主体二元体系,采用BTP-S2作为第三组分。其中,BTP-S2是陈红征团队开发的一种具有低能损的不对称受体材料,并且与BO-4Cl可以在吸收上形成很好的互补。

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图1 分子结构式、吸收、器件结构和能级分布

BTP-S2作为第三组分构筑的三元器件,相较于二元体系,可以实现开路电压、短路电流密度和填充因子的全方面提升;逐步沉积法制备的三元器件,相较于本体异质结的三元器件,可以进一步提升开路电压、短路电流密度和填充因子,从而进一步提升器件效率,最高效率达到18.16%,第三方认证效率为17.8%。

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图2 光伏性能

TOF-SIMS表征揭示,二元器件,不管是本体异质结还是逐步沉积,都无法形成纵向分布;三元器件,本体异质结仍旧不能形成纵向分布,而逐步沉积则能形成明显的纵向分布,从而构筑p-i-n型的活性层形貌。

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图3 纵向分布和逐步沉积三元器件制备过程

通过接触角测试发现,BTP-S2与PM6的相容性要明显小于BO-4Cl与PM6的相容性,引入25%含量的BTP-S2就可以显著降低给受体之间的相容性,这对于逐步沉积过程中纵向分布的形成,至关重要。

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图4 接触角测试

通过GIWAXS形貌表征发现,三元体系都比相应的二元体系,有更大的晶体相干长度,此外逐步沉积三元体系,相比于本体异质结三元体系,有更强的结晶强度和更紧密的分子堆叠,从而有利于促进电荷传输。

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图5 GIWAXS形貌表征

本文通讯作者为浙江大学陈红征教授、左立见研究员和香港中文大学路新慧教授,第一作者为占玲玲博士,共同第一作者为李水兴博士。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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