武汉理工王涛课题组AEM：溶液低温静置和溶剂蒸汽共同调控聚集态制备18%效率二元有机太阳能电池- 大数跨境

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武汉理工王涛课题组AEM：溶液低温静置和溶剂蒸汽共同调控聚集态制备18%效率二元有机太阳能电池

科学材料站

2021-09-03

导读：采用溶液低温静置（cold-aging）方法调控聚合物给体PM6的预聚集体，并结合溶剂蒸汽氛围涂膜来共同调控共混薄膜形貌

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102000

研究背景

化石燃料的使用引发了大量的环境问题，而且它们的储量也在日益减少，所以寻找一种可再生的清洁能源是当务之急，太阳能作为清洁可再生能源无疑是当前研究的热点所在。作为下一代光伏技术，有机太阳能电池（OSCs）因其性能易调控、重量轻、柔性好的特性而受到广泛关注。

近年来，随着新的光伏材料的涌现，OSCs的效率已经超过18%。决定器件效率的因素除了光伏半导体分子本征的光电特性外，还包括更重要的光活性层内的聚集形态，主要是分子水平上的堆积形式和纳米尺度上的分子聚集体。探索和发展各种化学和物理方法来调控光伏材料的聚集态，使其有利于光吸收和光电转换过程，是进一步提高OSCs效率的有效手段，具有重要的科学意义。

文章简介

基于此，武汉理工大学王涛课题组采用溶液低温静置（cold-aging）方法调控聚合物给体PM6的预聚集体，并结合溶剂蒸汽氛围涂膜来共同调控共混薄膜形貌，构成致密而精细的聚集结构，并有效地增强分子的π−π堆积程度，促进器件空穴和电子迁移率的增强和平衡，制备出效率为18%的二元有机太阳能电池。

图文分析

研究人员以PM6为给体，Y6-BO、N3、IT-4F、PTIC等四种非富勒烯小分子（NFA）为受体(分子结构式如Figure 1a),将PM6:NFA共混物溶解在“良溶剂”氯仿(CF)中，并在0 oC的低温下静置12个小时，使聚合物给体PM6发生无序/有序相转变（示意图如Figure 1b）。

他们用ITO/玻璃/ZnO/光活性层/MoO3/Ag的倒置结构制备了OSCs, 其中以PM6:Y6-BO体系效果最为明显，表征发现经过cold-aging处理的器件具有更高的激子解离和电荷收集效率，从而提高了器件的短路电流密度以及填充因子（器件性能表征见Figure 2）。

Figure 1. a) Chemical structures of PM6 and Y6-BO, N3, PTIC, IT-4F; b) Schematic diagram of the PM6 aggregation in solution via a disorder-order transition during cold-aging

Figure 2. (a) J-V characteristics (b) EQE spectra (c) UV-vis absorption spectra of blend film (d) Jph-Veff curves based on PM6:Y6-BO prepared at different conditions

为了揭示PM6:NFA溶液在cold-aging处理后在提高效率方面的关键作用，研究人员从纯PM6的溶液和固体薄膜的光吸收变化展开讨论，发现经过低温静置处理的PM6溶液表现出明显增强的光吸收，且此现象保留至共混薄膜中（见Figure 3c,d）。

随后，研究人员通过原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）对光活性层薄膜表面形貌进行了表征，并利用同步辐射掠入射小角散射/广角衍射(GISAXS/GIWAXS)对其分子层面的堆积以及微纳层面的相分离程度进行了进一步检测（Figure 3是对纯PM6薄膜的表征，Figure 4是对PM6:Y6-BO混合膜的表征）。

结果表明，在经过cold-aging处理后的溶液成膜中，PM6形成了更加致密的聚集体，并在混合膜中对NFA的相区尺寸产生影响，使得Y6-BO的相区尺寸表现出增大的趋势，有利于电荷的传输。

Figure 3. a) AFM images of pristine PM6 films, b) 2D GISAXS patterns of pristine PM6 films, UV-vis absorption spectra of PM6 c) solutions and d) films, and e) 1D GISAXS profiles along the qxy axis for pristine PM6 films, with or without cold-aging treatment.

Figure 4. a) 2D GIWAXS patterns of PM6:Y6-BO blend films and the corresponding b) 1D profiles along qz and qxy axes. c) AFM height images of PM6:Y6-BO blend films. d) 2D GISAXS patterns of PM6:Y6-BO blend films and the corresponding (e) 1D profiles along the qxy axis.

为了进一步提升器件性能，研究人员在溶液的旋涂过程中引入了溶剂蒸汽，为成膜过程中的分子提供了更长的有序化时间，在薄膜形貌上表现出更加连续的网络结构，有利于电荷的传输, 最终得到了最高为18%的光电转换效率。

Figure 5. TEM (a) and AFM (b) Images of PM6:Y6-BO Blend Films in cold aging with solvent-vapor annealing condition

总结

研究人员提出了一种新的低温溶液静置诱导聚集方法，基于共轭聚合物的温度依赖特性，在低温0 oC下静置使聚合给体PM6发生无序/有序相转变，形成预聚集体。

为了深入研究聚合物预聚集对薄膜纳米形貌的影响，利用同步辐射掠入射小角散射/广角衍射(GISAXS/GIWAXS)对光活性层薄膜进行了检测，发现经过cold-aging处理后，PM6聚合物在共混薄膜中构成致密而精细的聚集结构，并有效地增强了分子的π−π堆积程度，这促进了器件空穴和电子迁移率的增强和平衡，从而使器件填充因子明显提高。

在此基础上，研究人员通过在溶液旋涂过程中引入溶剂蒸汽，促使器件的电荷迁移率得到进一步提高和平衡，并通过原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）表征光活性层薄膜，发现了更加连续的网络结构的形成。本文的工作为通过对非富勒烯OSCs溶液旋涂前和旋涂过程中的聚集态调控来优化器件效率提供了理性的指导。