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川大彭强团队《Adv. Mater.》:通过设计新型聚合物添加剂实现19.10%效率和80.5%填充因子的逐层沉积有机太阳能电池

川大彭强团队《Adv. Mater.》:通过设计新型聚合物添加剂实现19.10%效率和80.5%填充因子的逐层沉积有机太阳能电池 高分子科技
2022-12-28
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导读:通过向聚合物给体溶液中引入新设计的共轭聚合物添加剂来优化活性层的垂直相分布,使得基于PM6/BTP-eC9活性层...
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得益于非富勒烯受体(NFAs)材料和器件工艺的开发,有机太阳能电池(OSCs)在过去几年发展十分迅速,能量转换效率(PCE)已经超过了19%,显示了巨大的商业前景。主流的有机太阳能电池活性层为给受体材料共混的本体异质结(BHJ)结构,通过溶液制备过程中自发的相分离形成双连续互穿网络,以利于激子扩散和解离、电荷转移和收集。尽管本体异质结活性层的形貌调控已经取得了重大进展,但如何精确控制其形貌仍然具有挑战性。与之相比,逐层沉积(LbL)给受体材料工艺可以独立优化每层的微观结构,能够克服给体和受体材料之间的热力学互溶所引起的不相容性,拓宽了形貌调控的空间。与此同时,活性层形成了更有利于电荷传输的垂直相分布,也有利于抑制双分子电荷复合并提高电荷收集效率。基于这些优势,LbL-OSCs在不久的将来具有大规模制备大面积器件的潜力。尽管如此,对于LbL-OSCs活性层形貌的调控还缺乏深入研究,其能量转换效率还具有较大提升空间。


近期,四川大学彭强教授团队在LbL-OSCs器件活性层形貌调控方面取得进展。他们通过向聚合物给体溶液中引入新设计的共轭聚合物添加剂来优化活性层的垂直相分布,使得基于PM6/BTP-eC9活性层的LbL-OSCs的PCE从17.36%显著提升至19.10%,填充因子从76.72%提升至80.5%。相关成果以“19.10% Efficiency and 80.5% Fill Factor Layer‐by‐Layer Organic Solar Cells Realized by 4‐Bis(2‐thienyl)pyrrole‐2,5‐Dione Based Polymer Additives for Inducing Vertical Segregation Morphology”为题发表在《Advanced Materials》(2022,DOI: 10.1002/adma.202208279)上。
该工作中,这一系列基于二噻吩吡咯二酮(BPD)和苯并二噻吩(BDT)的共轭聚合物P-HP-SP-FP-Cl(图1)作为添加剂时,可以通过侧链工程(硫化、氟化和氯化)进一步调节相互作用强度,优化原纤维形态。他们使用上述添加剂同时制备了基于BHJ器件和LbL器件,发现与DIO相比,聚合物添加剂对BHJ器件效率影响不大,但显著提升了LbL器件的效率(图2)。这是由于这些添加剂对BHJ活性层形貌没有起到优化作用,但是在LbL活性层中,聚合物添加剂则逐步优化了活性层的垂直相分布(图3)。当使用P-Cl作为添加剂时,活性层获得了最佳的垂直相分离结构,因而获得了最优化的器件性能。他们详细研究了不同添加剂对BHJ以及LbL活性层激子传输与分离的影响,揭示了LbL器件获得更高效率的原因(图4)。
该研究结果为LbL-OSC器件的活性层形貌优化以及性能提升提供了理论基础。四川大学化工学院研究生周明伟为论文第一作者,特聘研究员徐小鹏为论文共同通讯作者。
图1 聚合物添加剂的设计合成及器件的制备过程。(a)聚合物的分子结构;(b)活性层用到的给受体材料;(c)聚合物添加剂的合成路线;(d)BHJ和LbL活性层的制备示意图。
图2 BHJ器件和LbL器件性能。(a)BHJ器件的J-V曲线;(b)BHJ器件的EQE曲线;(c)LbL器件的J-V曲线;(d)LbL器件的EQE曲线;(e)LbL器件性能总结;(f)BHJ器件和LbL器件比较。
图3 不同添加剂对LbL活性层垂直相分布的影响。
图4 不同添加剂制备的BHJ和LbL活性层电荷产生机制研究。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208279


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