刘生忠教授、丁自成研究员、王晓晨研究员、杨周副教授，AFM：顺序沉积制备基于弹性体的高性能可拉伸三元有机太阳能电池。- 大数跨境

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刘生忠教授、丁自成研究员、王晓晨研究员、杨周副教授，AFM：顺序沉积制备基于弹性体的高性能可拉伸三元有机太阳能电池。

科学材料站

2024-02-19

导读：刘生忠教授、丁自成研究员、王晓晨研究员、杨周副教授，Advanced Function Materials：顺序沉积制备基于弹性体的高性能可拉伸三元有机太阳能电池。

文章信息

顺序沉积制备基于弹性体的高性能可拉伸三元有机太阳能电池

第一作者：唐伟兵

通讯作者：刘生忠*，丁自成*，王晓晨*，杨周*

单位：陕西师范大学

研究背景

可拉伸有机太阳能电池（OSC）具有成本低、重量轻、可变形性好的优点，在自供电可穿戴或植入式电子设备中显示出巨大的应用前景。与刚性OSC不同，可拉伸OSC需要具有高的光伏性能和良好的机械形变能力。然而，目前具有最高光伏性能的高分子给体：非富勒烯受体（NFA）活性层拉伸性能较差，在低的拉伸应变下（<10%）即发生脆性断裂，远低于人体皮肤的断裂应变（COS约30%），这极大地限制了高效OSC在人体可穿戴电子产品中的应用。一种提升有机光伏活性层拉伸性能的策略是将给受体体材料与弹性体共混，但是差的共混形貌常导致电池光伏性能严重下降。本文开发了一种添加剂辅助的顺序沉积方法来调控基于弹性体的三元活性层微结构，实现了光伏性能和拉伸性能的协同提升，为高性能可拉伸OSC制备提供了一种简单有效的形貌调控策略。

文章简介

近日，陕西师范大学刘生忠教授、丁自成研究员、王晓晨研究员、杨周副教授，在国际知名期刊Advanced Function Materials上发表题为“Sequentially Deposited Elastomer-Based Ternary Active Layer for High-Performance Stretchable Organic Solar Cells”的文章。该文章报道了利用添加剂辅助的顺序沉积策略来优化活性层微结构（底层为高分子给体D18薄膜，顶层为非富勒烯受体Y6与弹性体SEBS的共混薄膜），制备的活性层COS达到26.38%，同时相应OSC器件的能量转换效率（PCE）达到16.54%，从而实现了4.36%的高效率拉伸因子(ESF)，是目前可拉伸OSC的最高值之一。

本文要点

要点一：不同活性层的光伏和机械性能

D18:Y6给受体组合被广泛用于OSC中，可实现高的效率，而弹性体SEBS具有良好的形变能力。作者选择合适的主溶剂和添加剂来加工底层D18薄膜和顶层Y6:SEBS薄膜，制备出光伏和拉伸性能不同的活性层薄膜。利用主溶剂二硫化碳（CS2）加工底层D18，利用对D18溶解度较低的氯仿（CF）溶剂加工顶层Y6，制备D18/Y6双层结构活性层（Type 1薄膜），可实现15.71%的PCE，但COS只有10.56%；在顶层Y6薄膜中引入少量SEBS，可显著改善整个活性层（Type 2薄膜）的拉伸性能，COS提升至19.80%，但相应电池效率降低至14.83%；当在二硫化碳（CS2）中加入少量对D18溶解性较差的溶剂添加剂对二甲苯（PX），活性层（Type 3薄膜）的PCE和COS可分别提升至15.86%和23.81%；进一步利用与Y6具有较强相互作用的固体添加剂1,3-二溴5-氯苯（DBCl）处理顶层Y6:SEBS薄膜，活性层（Type 4薄膜）COS可达26.38%，电池PCE可达16.54%，ESF可达4.36%。以上结果说明添加剂辅助顺序沉积策略可有效提升三元活性层的光伏和拉伸性能。

图 1. 基于不同活性层的OSC光伏性能。a) 最佳器件的电流密度-电压曲线（J-V）；b) PCE统计分析；c) 最佳器件的外量子效率（EQE）曲线；d)光生电流密度-有效电压曲线（Jph−Veff）；e) 开路电压（VOC）的光强依赖性；f) 不同薄膜的载流子迁移率。

图 2. 不同活性层的力学性能。a)不同薄膜的应力-应变曲线；b) 断裂应变（COS）、c) 弹性模量（Ef）和 d) 强度（Toughness）的比较；e) 不同体系光伏共混膜的COS、PCE和ESF的三角形图例；f) 基于报道的聚合物给体和NFA体系的其他工作和本工作中PCE超过15%活性层的COS和ESF值的比较。

要点二：PX添加剂的作用

为了阐明添加剂的作用机理，作者对薄膜微结构进行了表征。首先研究了PX添加剂对 D18 薄膜形貌的影响。在D18的CS2溶液中添加3vol%PX后，底层D18薄膜中纤维变得小而致密，整体结晶度降低，𝜋–𝜋堆积作用减弱。结晶性降低有利于提升D18薄膜形变能力，而纤维密度增大有利于增肌电荷传输通道。需要注意的是，底层D18薄膜形貌可在很大程度上影响顶层Y6:SEBS薄膜形貌。在未使用PX时，Type 2薄膜中极性Y6与非极性SEBS形成双连续相；使用PX后，Type 3薄膜中Y6形成小尺寸的海岛状结构，分散于SEBS弹性体基体中，且薄膜粗糙度显著更低。这不仅有利于活性层对外界应力的耗散，还可促进OSC器件中阴极处电子的收集。

图 3. 对二甲苯（PX）添加剂对底部D18层和整体活性层微观结构的影响。a) D18薄膜的原子力显微镜（AFM）高度图像；b) D18薄膜的透射电子显微镜（TEM）图像；c) 二维掠入射X射线广角散射（2D-GIWAXS）图案， d) 面内和面外方向上的一维（1D）X射线散射图；2D-GIWAXS 图案的 e) (100)和 f) (010) 衍射信号的方位图，其中 𝜒 是方位角；g) Type 2 和Type 3活性层的 AFM 高度图；h) AFM高度图中红线所示的高度轮廓。

要点三：DBCl添加剂的作用

作者进一步研究了Type 3和Type 4活性层的微观结构以揭示DBCl添加剂的关键作用。顶层Y6:SEBS薄膜经DBCl处理后，Y6相区尺寸显著减小，表面粗糙度降低，但2D-GIWAXS结果显示薄膜结晶性提升，Y6分子间的π-π堆积增强。SEBS基体中细小的Y6分散相在拉伸过程中更容易旋转或取向，有利于Type 4活性层拉伸性能的提升;另一方面，Y6分子堆积有序性的改善可以为垂直方向的电子提供更有效的传输通道，并且表面粗糙度的降低可以改善活性层和电子传输层之间的接触，电荷传输和收集的改善可提升短路电流密度和填充因子，对应于Type 4活性层器件更高的光伏性能。

图4. Type 3和Type 4活性层的微观结构。a) AFM高度图像；b) TEM图像；c) 2D-GIWAXS图案；以及 d) 面内和面外方向上的一维（1D）X射线散射图；2D-GIWAXS 图案中e) 在处q~0.3 Å−1处和 f) 𝜋–𝜋 堆积衍射的方位图。

文章链接

“Sequentially Deposited Elastomer-Based Ternary Active Layer for High-Performance Stretchable Organic Solar Cells”

https://doi.org/10.1002/adfm.202312289

通讯作者简介

丁自成研究员简介: 2008-2013年就读于中国科学院长春应用化学研究所并获博士学位，师从韩艳春研究员；2014-2019年在中国科学院长春应用化学研究所刘俊研究员课题组工作，先后任助理研究员和副研究员；2019年底加入陕西师范大学材料科学与工程学院，主要从事有机光电功能薄膜与柔性/可拉伸薄膜与器件的研究。

王晓晨研究员简介：2007年毕业于北京化工大学获高分子材料与工程工学学士学位；2009年提前攻读博士学位并进入中国科学院化学研究所李永舫院士课题组联合培养，2012年获得材料科学与工程博士学位；2012-2014年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究；2014-2020年在国家纳米科学中心任副研究员；2020年起加入陕西师范大学材料科学与工程学院。主要从事有机/聚合物太阳能电池材料的设计与合成研究。

杨周副教授简介：2012年获中国科学技术大学凝聚态物理学博士学位，师从徐晓亮教授。2012-2014年加入中国科学院大连化学物理研究所李灿教授课题组，任博士后。主要研究方向为太阳能材料及器件，包括太阳能电池、单晶光电器件等。

刘生忠教授简介：1992年获美国西北大学(Northwestern University)博士学位，先后在美国Argonne National Laboratory、Solarex/BP Solar、United Solar等高科技公司从事研究工作20余年，于2011年入选国家创新人才长期项目，并于当年底全职回国工作，现任陕西师范大学教授和中国科学院大连化学物理研究所研究员。研究领域主要包括太阳能光伏材料、纳米材料、薄膜材料和光伏技术的研发、放大和生产。