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四川大學彭強教授團隊AM:單結聚合物太陽能電池光電轉換效率突破16.35%
2019-06-12  來源:計算GO

  四川大學彭強教授課題組創新性地將有機金屬鉑絡合運用于非富勒烯有機太陽能電池活性層形貌優化之中,成功將其光電轉換效率從13.03%顯著提升至16.35%,成為迄今文獻報道的非富勒烯有機太陽能電池光電轉換效率的最高紀錄。他們在具有強聚集性質的多氮雜環聚合物PSFTZ中引入鉑絡合,通過絡合之后苯環取代基的位阻效應抑制聚合物的聚集。通過絡合度的控制達到調控結晶性、優化活性層形貌的目的,從而顯著提升了非富勒烯有及太陽能電池的光電轉換效率。該研究為有機太陽能電池活性層的形貌調控開辟了新的思路。該工作于近期發表在Advanced Materials上(Adv. Mater. 2019, 1901872)。

  得益于有機半導體材料的不斷開發和器件工藝的日益精進,近年來有機太陽能電池飛速發展。在器件工藝上,主要是對器件結構的改進、界面的修飾以及活性層形貌調控。其中,活性層形貌調控又是器件工藝研究的重中之重。活性層形貌直接關系到激子能否順利擴散、有效解離和傳輸,最終影響整個器件效率。在形貌優化上,人們已經開發出了很多行之有效的策略。其中,對于一些具有強聚集性的聚合物材料的形貌調控,目前廣泛采用的是熱旋涂工藝來控制其結晶性。然而,熱旋涂工藝實際上只能服務于實驗室小批量制備和研究,不利于未來的工業化生產。開發簡便易行的控制強聚合物聚集能力的手段對于這類材料的光伏應用十分必要。

Figure 1. (a) Normalized UV-vis absorption spectra of the polymer donors and Y6 acceptor in film state. (b) UV-vis absorption spectra of the polymer:Y6 blend films. (c) CV curves of the polymer donors. (d) Energy level diagram of the polymer donors and Y6 acceptor.

  絡合度對聚合物PSFTZ光譜和能級的影響如圖1所示。隨著絡合度的增加,吸收光譜的0-0/0-1的比值逐漸降低,表明絡合度增加后,聚合物的聚集性有所降低。同時,絡合度的增加在一定程度上降低了聚合物的能級。能級的降低有利于器件獲得更高的開路電壓。

Figure 2. (a) J-V curves of the NF-PSCs. (b) EQE curves of the NF-PSCs. (c) The DEQE of Pt10 devices with respect to Pt0 devices. (d) The absorption difference of Pt10:Y6 blend film with respect to Pt0:Y6 blend film.

  通過制備器件結構為ITO/PEDOT:PSS/active layer/OTF/Al的太陽能電池研究了絡合度對光伏性能的影響。如圖2所示,對比器件(無絡合)受限于其較低的電流和填充因子,最好器件效率只有13.03%;絡合后器件性能顯著提升,當絡合度為10%的時候,獲得了最好器件效率為16.35%。通過外量子效率測試表明,絡合顯著提升了器件在整個吸收區間的光譜響應。

Figure 3. (a) 2D-GIWXAS patterns of the polymers. (b) The in-plane and out-of-plane line-cut profiles.

  絡合度對聚合物結晶性的調節通過廣角掠入射X-射線衍射(GIWAXS)來研究(圖3)。原始聚合物具有較強的(100)、(200)、(300)和(010)衍射,證明其結晶性較高,隨著絡合度的增加聚合物的結晶性逐漸降低。這一結晶性的變化能夠有效改變其相分離情況。如圖4所示,初始聚合物活性層形成了較大尺寸的相分離,不利于激子分離與電荷傳輸,通過絡合度的增加,相分離逐漸減小,形成纖維狀相分離。其中10%絡合度的活性層獲得了最為為理想的相分離形貌,抑制了激子復合,因而顯著提升了器件效率。

Figure 4. AFM height images (a-d) and phase images (e-h) of the polymer:Y6 blends.

  本工作中,巧妙地將鉑絡合作用于具有較強結晶性的多氮雜環聚合物PSFTZ上,通過位阻作用和絡合度的改變,調節了聚合物的結晶性質,從而優化了相分離形貌。與傳統添加劑不同,該策略可在制備活性層之前制備好目標絡合度的聚合物,具有較高的可重復性和器件穩定性,該方法為有機太陽能電池活性層形貌優化開辟了新的思路。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901872

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(責任編輯:xu)
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