第一作者：张花蕊
通讯作者：刘玉强，薄志山
通讯单位：青岛大学，北京师范大学
论文DOI：10.1002/adma.202400521
近日，青岛大学刘玉强教授、北京师范大学薄志山教授团队等通过顺序沉积体异质结（BHJ）结构的方式获得了一种新型的活性层结构buried-BHJ。该结构将少量异质结埋入纯相的给体和受体层内部，可以保证形成垂直组分分布，同时给体和受体具有较大接触面积，从而有利于激子解离和电荷传输，当膜厚增加时该结构表现出更大的优势。相关研究成果现已发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Sequentially Processed Bulk-Heterojunction-Buried Structure for Efficient Organic Solar Cells with 500 nm Thickness”。
随着给体和受体材料以及器件工艺的发展，目前单结有机太阳能电池（OSCs）的效率已经接近20%。然而，大多数高效率OSCs的活性层厚度通常控制在120 nm以内。活性层厚度的变化会直接影响光子吸收和电荷传输，进而影响电池性能。而未来OSCs大面积商业化加工要求活性层具有较高的膜厚耐受度，即电池的效率受膜厚的变化影响不大。因此，改善OSCs对活性层膜厚的敏感度至关重要。
1. 活性层buried-BHJ结构具有充分的D/A接触面积和垂直组分分布。
2. 对激子的解离和扩散动力学行为进行了探究。
要点一：顺序沉积BHJ获得buried-BHJ结构
在逐层沉积工艺的基础上进行改善，在给体层掺入少量受体，在受体层掺入少量给体，这种设计结合了BHJ具有足够的D/A接触面积用于激子解离，以及LBL提供垂直通道用于电荷传输到电极的优点。Buried-BHJ结构表现出比LBL和BHJ结构更优异的性能，其中基于D18:L8BO的器件中，buried-BHJ获得了19.2%的光电转换效率，高于LBL和BHJ结构。
图1 Buried-BHJ结构以及激子行为示意图
要点二：探究激子行为的变化
通过瞬态吸收光谱对激子行为进行了表征。测试结果表明掺入之后的给体或受体层与普通的给体或受体层相比均表现出更有效的激子解离。而且buried-BHJ结构与普通的LBL结构相比表现出更有效的激子解离和扩散。
图2. 瞬态吸收光谱测试结果
要点三：制备厚膜器件
制备活性层厚度不同（200~500 nm）的器件来探究buried-BHJ OSCs的膜厚容忍度。当活性层厚度增加到220 nm时，BHJ和LBL器件分别只有16.9%和16.7%的效率，而buried-BHJ仍然保持17.7%的效率。并且当膜厚增加到500 nm时，buried-BHJ器件效率达到16.0%。
图3. 厚膜器件效率
综上所述，本研究通过将BHJ结构埋入LBL活性层从而获得了一种新的活性层结构buried-BHJ。这种方法可以有效地调控D/A接触界面以及组分在垂直方向上的分布。在buried-BHJ结构中，给体和受体具有充分的接触面积用于激子解离，同时在垂直方向上具有利于电荷传输的通道。因此，激子解离和电荷输运变得更有效，复合损失也相应地减少。通过瞬态吸收测试证明了这种方法对于激子解离的改善。从器件数据上可以看到，buried-BHJ获得了19.2%的效率，高于BHJ和LBL器件。此外，buried-BHJ表现出更高的膜厚容忍度，尤其是当膜厚增加到500 nm时，buried-BHJ器件仍然能实现16.0%的PCE，这也是500 nm厚膜器件的最高值之一。这项工作为解决OSCs膜厚容忍度的问题以及未来的大规模制造提供了新的方案。
文献信息：https://doi.org/10.1002/adma.202400521
刘玉强教授简介：青岛大学教授，山东省海外优青，研究方向包括太阳能电池，发光二极管器件等。在Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc.，Joule，Mater. Sci. Eng. R, Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano等发表多篇论文工作。
薄志山教授简介：北京师范大学化学学院教授，2014年被聘为教育部长江学者特聘教授，教育部能量转换与存储材料长江学者创新团队带头人，能量转换与存储材料北京市重点实验室主任。主要从事有关聚合物光电功能膜材料方向的研究，在J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem.、Macromolecules、Adv. Mater.等杂志上发表论文300多篇，被引用4000余次。
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