AEM：通过添加剂处理揭示高效BHJ和PPHJ太阳能电池的形态演化
知研光电材料2021-01-20 16:45
优化有源层的结构对获得长期稳定的高效率有机太阳能电池（OSCs）具有重要意义，因为它与激子的分离，电荷转移和收集过程密切相关。近十年来，具有理想形貌的体异质结（BHJ）结构为实现高性能OSCs奠定了基础。然而，由于给体分子和受体分子在溶液中的随机混合，大多数BHJ共混物的实际形态都不理想，这使得常规BHJ膜不可避免地存在许多缺陷。与BHJ型OSCs相比，逐层法制备的平面异质结（PPHJ）型OSCs具有光吸收率高、垂直相分离适宜、对溶剂依赖性小等优点，在制备大面积OSCs中具有广阔的应用前景。
鉴于此，近日江西师范大学陈义旺、廖勋凡，上海交通大学刘烽等人设计了两种BHJ型OSC，即基于PM6：IT-4F以及PM6：IT-4F:DIO，和三种PPHJ型OSC，即基于PM6/IT-4F、PM6/IT-4F（DIO）和PM6（DIO）/IT-4F。1,8-二碘辛烷（DIO）已被证实对小分子受体的结晶度而不是对聚合物的结晶度有显著影响。研究结果发现，经DIO处理的OSCs比未经DIO处理的OSCs表现出更好的光伏性能，这是由于前者具有更为有序的分子堆积和合适的相分离形态。
此外，在基于PM6：IT-4F:DIO的BHJ型共混物中，PM6可以作为IT-4F的成核剂，使共混膜具有最强的晶体衬度和最大的结晶相干长度（CCL）。相比之下，PPHJ型共混膜的上层IT-4F中的DIO可以进一步优化结晶度适当增加、CCL值合理和良好的垂直相分离形态，从而获得最佳的光电转换效率（PCE）为13.70%，和显著的短路电流密度（JSC）为20.98 mA cm-2。更重要的是，结晶平衡因子（可定义为CCLpolymer/CCLacceptor）被证实与器件性能密切相关。在PPHJ-OSCs中，DIO可以调节受体的结晶度，使其与聚合物给体具有更平衡的结晶因子，有利于电荷的分离和转移，从而使电荷迁移率更平衡，填充因子、JSC和PCE更高。此外，研究人员还发现优化后的器件开路电压（VOC）的降低主要是由于分子聚集的增加，导致非辐射复合能量损失的增加。
这项研究结果不仅系统地揭示了溶剂添加剂DIO对形貌调控和器件性能的影响，同时也对形态学调控有了更加深入的了解，为针对性地优化器件性能提供了新的指导。该工作现已发表在《Advanced Energy Materials》上，题为“Revealing Morphology Evolution in Highly Efficient Bulk Heterojunction and Pseudo-Planar Heterojunction Solar Cells by Additives Treatment”。
文献地址：
https://doi.org/10.1002/aenm.202003390
举报/反馈
0
0
收藏
分享
