华南理工|黄飞教授课题组Joule：侧链工程助力有机太阳电池大面积模组效率突破14%- 大数跨境

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华南理工|黄飞教授课题组Joule：侧链工程助力有机太阳电池大面积模组效率突破14%

科学材料站

2020-09-02

导读：本文通过侧链工程设计合成了一种非富勒烯受体(DTY6)。当与聚合物给体PM6混合时，基于PM6:DTY6的有机太阳电池在使用非卤素溶剂XY加工时表现出优异的器件性能，其效率超过16%。

文章信息

单组分无卤溶剂加工的高效有机太阳电池模组效率超过14%

第一作者：董升，贾涛

通讯作者：张凯*，黄飞*

单位：华南理工大学

研究背景

有机太阳电池(OSCs)由于其在高通量印刷制备大面积太阳能电池板和彩色半透明器件方面的巨大潜力而受到广泛关注。

近年来，得益于非富勒烯受体(NFAs)的快速发展，尤其是Y6及其衍生物的开发，有机太阳电池在光电转换效率(PCE)方面取得了一系列突破。然而，这些高效的器件大多是通过旋涂工艺制备的小面积器件，大面积模组器件的效率仍然远远落后。

另外，这些高效的小面积器件大多是采用具有毒性的卤素溶剂（如氯仿、氯苯等）加工而成，在制备大面积模组器件时，这些有毒溶剂对人体和环境的威胁不容忽视。

文章简介

近日，华南理工大学黄飞教授课题组在国际知名期刊Joule (影响因子：27.054) 上发表题为“Single-Component Non-Halogen Solvent Processed High Performance Organic Solar Cell Module with Efficiency over 14%”的研究工作。

在该研究中，他们将烷基侧链工程引入到材料结构的设计中，合成了一种带有长支化烷基链（2-DT）的非富勒烯受体(DTY6)。长支化烷基链（2-DT）的引入提高了DTY6在非卤素溶剂中的溶解性，并有效拟制了其在成膜过程中的过度聚集行为。

他们将DTY6与聚合物给体PM6共混，使用绿色溶剂二甲苯作为加工溶剂，印刷制备了18 cm2的大面积模组器件，获得了超过14%的光电转换效率（经国家光伏产业计量测试中心认证效率为13.98%），远远高于此前文献报道的同类面积模组器件效率。

该文章共同第一作者为华南理工大学董升博士和贾涛博士

张凯博士和黄飞教授为本文共同通讯作者

要点解析

要点一：分子结构式和光物理性质

图1.分子结构式、能级示意图以及吸收光谱

（A）PM6、Y6和DTY6的分子结构式

（B）PM6、Y6和DTY6的能级示意图

（C）Y6的吸收光谱

（D）DTY6的吸收光谱。

图1A示例了PM6、Y6和DTY6的分子结构式。相比于Y6，DTY6具有更长的烷基链。改变烷基链长度并没有影响分子的能级水平，DTY6与Y6具有相近的能级结构（图1B）。

从吸收光谱可以看出，当用二甲苯(XY)作为加工溶剂时，Y6分子具有比DTY6更明显的聚集行为。

要点二：不同溶剂加工的活性层薄膜形貌

图2.不同溶剂加工的活性层薄膜的表面形貌和相分离

(A-D) 不同溶剂加工的 PM6:Y6 和PM6:DTY6薄膜的AFM图；

(E-H) 不同溶剂加工的 PM6:Y6 和PM6:DTY6薄膜的TEM图.

通过对比可以发现，对于PM6:Y6，使用XY加工的薄膜比使用氯仿（CF）加工的薄膜具有更粗糙的表面（图2A和图2B）和更大的相分离（图2E和图2F），这是由于PM6:Y6在成膜过程中Y6的过度聚集造成的。对于PM6:DTY6，使用两种溶剂加工的薄膜均具有比较光滑的表面（图2C和图2D）和良好的相分离（图2G和图2H）。

要点三：不同溶剂加工的活性层薄膜中分子的堆积

图3. 不同溶剂加工的活性层薄膜中分子的堆积

(A-D) 不同溶剂加工的PM6:Y6和PM6:DTY6的2D GIWAXS图

(E) 相应的面外(实线)和面内(虚线)切线图

通过对比可以发现，对于PM6:Y6体系，使用CF加工的PM6:Y6薄膜呈现出明显的face-on取向，而使用XY加工的PM6:Y6薄膜的face-on取向程度明显减弱。对于PM6:DTY6体系，使用两种溶剂加工的薄膜具有相似的分子取向，均呈现出face-on取向和edge-on取向。

要点四：器件光伏性能分析

图4. 器件性能、载流子复合、能量损失

PM6:Y6和PM6:DTY6电池器件的 (A)J–V 曲线；(B) EQE曲线；(C) Voc对光强的依赖性；(D) FTPS-EQE光谱；(E)电致发光(EL)光谱；(F)能量损失。

从图4可以看出，当加工溶剂从CF改为XY时，PM6:Y6器件的光伏性能显著下降（效率从15.7%下降到10.8%），载流子的复合增加，能量损失增加；而对于PM6:DTY6体系，改变加工溶剂，相应的电池器件均能保持良好的光伏性能（效率超过16%）。

这一结果表明， DTY6更适合应用于非卤素溶剂加工的电池器件中。

要点五：大面积模组器件的光伏性能

图5.

(A) 基于PM6:DTY6的大面积模组器件图片；(B) 大面积（18 cm2）模组器件的J-V 曲线；(C)面积超过10 cm2的模组器件的效率统计。

图5A是通过用XY作为加工溶剂，基于PM6:DTY6体系制备的大面积模组器件。最优的大面积模组的器件效率高达14.4%，第三方机构认证效率为13.98%。这是目前为止文献报道的最高模组效率（图5C）。

结论

综上所述，通过侧链工程设计合成了一种非富勒烯受体(DTY6)。当与聚合物给体PM6混合时，基于PM6:DTY6的有机太阳电池在使用非卤素溶剂XY加工时表现出优异的器件性能，其效率超过16%。而基于PM6:Y6体系的器件显示出较差的光伏性能（PCE<11%），这是由于Y6在成膜过程中出现过度聚集形成大的相分离所致。

通过采用XY作为加工溶剂，印刷制备了基于PM6:DTY6的大面积模组器件（18 cm2），获得了高达14.4%的器件效率（第三方机构认证为13.98%），这是目前为止文献报道的最高值。这些结果表明，烷基链调控能够改善分子在非卤素溶剂中的溶解性以及聚集性，是一种获得高效大面积模组器件的有效策略。同时该研究结果也进一步加快了有机太阳电池商业化的研究进程。

文章链接

Single-Component Non-halogen Solvent-Processed High-Performance Organic Solar Cell Module with Efficiency over 14%

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30346-9

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