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  近日，南昌大學的陳義旺教授團隊與Georgia Institute of Technology的Elsa Reichmanis院士、王剛博士（現美國西北大學博士后）合作在《ACS Nano》發表了題為“Vertical Stratification Engineering for Organic Bulk-Heterojunction Devices”的文章。在工作中，作者基于之前的界面材料研究基礎上（Advanced Materials, 2016, 28, 4852-4860， ACS Applied Materials & Interfaces， 2017, 9, 9204-9212），通過調節的界面層的表面能和不同活性層本體異質結體系（包括富勒烯衍生物和非富勒烯體系）給受體材料的表面能差異，并結合連續旋涂法制備多層本體異質結結構的方法，獲得具有不同垂直相分離結構的本體異質結結構，并對比具有不同垂直相分離結構的正向和反向有機太陽能電池的器件性能，提出了“有機太陽能電池器件性能-活性層垂直相分離結構-材料表面能和吸收光譜”之間的關系。

  隨著近年來新型的給受體材料的發展，有機太陽能電池的器件效率已經突破14%。通過使用添加劑和不同的界面材料可以改善活性層與電極材料間的接觸及本體異質結的微觀形貌，在以往的研究中，器件性能的提高主要歸因于材料結晶性和相尺寸等因素的改善。活性層本體異質結的垂直相分離結構，作為活性層共混溶液旋涂成膜過程中一個自發演變形成的結果，近年來并沒有受到廣泛的重視和研究。然而，基于高性能的非富勒烯體系的垂直相分離結構研究是十分必要的，有助于我們理解和進一步提高非富勒烯體系有機太陽能電池的光電轉換性能。

圖1 給受體材料的分子結構與本體異質結內給受體材料的垂直相分離結構

  因此，作者基于已報道的富勒烯體系的研究的基礎上，深入地研究了富勒烯體系中給受體材料與界面材料的表面能大小與垂直相分離結構的關系（圖1）。作者發現，經典的界面材料的表面能通常遠遠高于給受體材料的表面能，而常用的受體材料具有較給體材料的更高的表面能，這會導致受體材料通常容易沉積在界面材料修飾后的ITO電極表面，而低表面能的給體材料傾向于暴露在本體異質結外側，形成一個熱力學穩定的狀態。通過降低界面材料的表面能，受體材料在ITO電極表面的富集程度會降低，給體材料的量會得到明顯增加，有效地調整了本體異質結的垂直相分離結構。有趣的是，隨著給體材料在ITO表面的富集程度的增加，受體材料的外量子效率得到了明顯提高，而給體材料的外量子效率有所下降，且三種不同的給體材料體系均表現出相同的行為。由于富勒烯受體材料的吸收主要集中在藍光區，而給體材料的吸收主要集中在紅光區，垂直相分離結構的變化導致藍光區的外量子效率有明顯提高，但對短路電流密度有明顯貢獻的紅光區的外量子效率的降低使得器件性能的提高受到抑制。通過使用較低表面能的ZnO/MPPA界面材料，基于PTB7-Th:PC71BM體系的有機太陽能電池達到了10.6%的光電轉換效率。

  而非富勒烯體系受體材料的吸光主要集中在紅光區，通過降低界面材料的表面能，應該可以提高紅光區的外量子效率。為了排除不同界面材料對器件性能的影響，作者采用連續旋涂具有不同給受體比例和總濃度的活性層溶液制備垂直相分離結構（圖2），最終證實非富勒烯體系也遵循著相同的規律。具有較高表面能的ITIC受體富集在ITO/ZnO表面（圖3），隨著ITIC在ITO/ZnO表面的富集程度增高，ITIC受體材料的外量子效率逐漸降低，而PBDB-T給體材料的外量子效率得到增加。因而，降低ITO/ZnO的表面能，更有利于獲得高的短路電流密度。而使用連續旋涂法得到的形貌并不穩定，通過使用MPPA分子降低基底的表面能并獲得穩定的優化的垂直相分離結構，器件性能提高到了10.8%。

圖2 非富勒烯體系的器件性能（a）及外量子效率（b）曲線

圖3 非富勒烯體系的本體異質結的垂直相分離結構及結構穩定性

  該研究提出了一個理論模型，由于長波長區域的EQE增加有利于得到更高的短路電流密度，而某一組分EQE的增加可能會伴隨著另一組分的EQE的降低。對于富勒烯體系，使用高表面能的界面材料提高受體在基底表面的富集程度有利于得到更高的短路電流密度，而對于非富勒烯體系，使用低表面能的界面材料使給體在基底表面的富集程度有利于得到更高的短路電流密度（圖4）。簡言之，可以通過調節界面材料的表面能，得到全光譜內更均衡的EQE值和更高的短路電流密度。

圖4 提出的理論模型“經由界面材料表面能來調節本體異質結垂直相分離進而提高器件光伏性能”

  該研究對未來給受體材料和界面材料的分子功能化設計以及如何進一步通過優化活性層形貌來提高有機太陽能的器件性能提供了新的思路和方法。該工作的第一作者為南昌大學化學學院的博士研究生黃立強，Georgia Institute of Technology的博士王剛，及南昌大學材料學院的周魏華副教授，南昌大學為第一通訊單位，通訊作者為陳義旺教授、Elsa Reichmanis院士及王剛博士。同時，中國科學院化學所李韋偉研究員團隊、華中科技大學的周印華教授團隊及西安交通大學馬偉教授團隊對該工作的研究和完善做出了突出貢獻。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.8b00439?mi=aayia761&af=R&AllField=nano&target=default&targetTab=std