全聚合物太陽(yáng)電池(all-PSCs)是以聚合物給體和受體作為活性層的光電轉(zhuǎn)換能源器件。相較于其他類(lèi)型的有機(jī)太陽(yáng)電池,all-PSCs在穩(wěn)定性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。高性能聚合化小分子受體(PSMAs)的出現(xiàn)使all-PSCs的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)得到很大的提升,但基于此類(lèi)聚合物受體的all-PSCs的外量子效率(EQE)通常低于80%,填充因子(FF)低于0.75,表明對(duì)基于此類(lèi)聚合物受體的all-PSCs,活性層形貌的調(diào)控和優(yōu)化仍然是亟待研究的關(guān)鍵問(wèn)題。
近日,華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段春暉教授課題組在Nano Energy上發(fā)表了在全聚合物太陽(yáng)電池活性層形貌調(diào)控方面的最新研究成果,論文題為“Layer-by-layer processed binary all-polymer solar cells with efficiency over 16% enabled by finely optimized morphology”。該工作采用逐步沉積(layer-by-layer)的方法,結(jié)合溶劑添加劑和熱退火的協(xié)同作用,精細(xì)調(diào)控聚合物給體和受體的形貌,給體材料的結(jié)晶相干長(zhǎng)度(CCL)顯著提高,受體形成了纖維結(jié)構(gòu)。特別值得指出的是,該工作發(fā)現(xiàn)在LbL加工的器件中,上層受體能夠擴(kuò)散到下層給體的底部,直接與陽(yáng)極界面相接觸,形成類(lèi)似于體異質(zhì)結(jié)(BHJ)的結(jié)構(gòu)(圖1),這與以往報(bào)道的LbL處理通常形成偽雙層膜或p-i-n/n-i-p結(jié)構(gòu)明顯不同。相似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在該課題組的另一個(gè)逐步沉積法制備全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作中也被觀察到(ACS Applied Energy Materials, 2021, 4, 13307–13315)。同時(shí),給/受體形成了有利的垂直梯度分布,有利于激子的解離、電荷的傳輸,減少了缺陷態(tài)密度和電荷復(fù)合損失。基于上述優(yōu)點(diǎn),該all-PSCs實(shí)現(xiàn)了16.05%的PCE和創(chuàng)紀(jì)錄的FF(0.77),該FF是PSMAs作為受體材料的all-PSCs的最高值。
本文要點(diǎn):
1) 逐步沉積法形成了給/受體完全貫穿的類(lèi)似體異質(zhì)結(jié)活性層形貌
該工作發(fā)現(xiàn)在采用與正置器件(ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T/PYT/PFN-Br/Ag)(圖1a)完全相同的給/受體沉積順序時(shí),倒置器件(ITO/ZnO/PBDB-T/PYT/MoO3/Ag)(圖1b)也可以正常工作,且倒置器件的最優(yōu)PCE能夠達(dá)到正置器件最優(yōu)PCE的85%(表1和表2),這表明PBDB-T/PYT薄膜形成了類(lèi)似于體異質(zhì)結(jié)的形貌,PBDB-T與PYT在垂直方向上相互擴(kuò)散。通過(guò)薄膜斷層光譜可知,受體PYT在PBDB-T/PYT底部的含量達(dá)到35%,這種在垂直方向上完全相互滲透的給體和受體相的形成與以往報(bào)道的LbL處理通常形成偽雙層膜或p-i-n/n-i-p結(jié)構(gòu)明顯不同。
圖1. 正置器件結(jié)構(gòu)(a)和倒置器件結(jié)構(gòu)(b)示意圖。
表1. 正置器件(ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T/PYT/PFN-Br/Ag)在不同加工條件下的器件性能參數(shù)
表2. 倒置器件(ITO/ZnO/PBDB-T/PYT/MoO3/Ag)在不同加工條件下的器件性能參數(shù)
2) 聚合物給體 (PBDB-T)有序性的增強(qiáng)與聚合物受體 (PYT)纖維的形成
通過(guò)GIWAXs和AFM測(cè)試(圖2)發(fā)現(xiàn),上層添加劑CN能夠擴(kuò)散進(jìn)入到下層,促進(jìn)PBDB-T的結(jié)晶,使其相干長(zhǎng)度(CCL)變大,層狀有序性增強(qiáng);高沸點(diǎn)CN能夠延長(zhǎng)PYT的結(jié)晶時(shí)間,使其形成聚合物纖維。
圖2. a)不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的2D GIWAXs圖。b-d)1D GIWAXs圖。不同加工條件下e)PYT薄膜和f)PBDB-T/PYT薄膜的AFM相圖。
3) 提高激子分裂效率,降低缺陷態(tài)密度,改善電荷傳輸,抑制電荷復(fù)合損失
通過(guò)時(shí)間分辨光致發(fā)光譜(TRPL)、ns-μs瞬態(tài)吸收光譜(TAS)、阻抗分析儀和單載流子器件的測(cè)試可知,添加劑及熱退火的協(xié)同作用在影響活性層形貌的同時(shí)對(duì)其電學(xué)性能也產(chǎn)生了影響(圖3和表3)。
圖3. a) CN+TA處理后的PBDB-T/PYT的FTPS-EQE圖。b) PYT薄膜及不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的TRPL曲線(xiàn)。c) PBDB-T、PYT和不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的PIA圖。d) 不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的TAS圖譜。e) 不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的DOS圖。f) 不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的電子和空穴遷移率統(tǒng)計(jì)圖。
表3. 不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的物理參數(shù)
這項(xiàng)工作為精細(xì)調(diào)控all-PSCs中聚合物給體和受體的微結(jié)構(gòu)提供了一種有效策略。結(jié)合LbL方法在控制垂直組分分布和相分離方面的內(nèi)在優(yōu)勢(shì),這些發(fā)現(xiàn)會(huì)進(jìn)一步提高all-PSCs的器件性能。
論文第一作者為華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的博士生張?jiān)?/strong>和吳寶奇,論文通訊作者為華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的段春暉教授。該工作得到了德國(guó)埃爾朗根大學(xué)Christoph J. Brabec教授與李寧博士團(tuán)隊(duì)、埃因霍溫理工大學(xué)李俊宇研究員、華南理工大學(xué)吳宏濱教授團(tuán)隊(duì)、西安交通大學(xué)魯廣昊教授團(tuán)隊(duì)的支持。
文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106858
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