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西工大劉劍剛教授團隊 AEM：控制第三組分分布實現高性能三元有機太陽能電池

2025-03-10 來源：高分子科技

基于福斯特能量轉移的三元有機太陽能電池（T-OSCs）可顯著提高活性層的光吸收能力，從而改善其能量轉換效率（PCE）。研究發(fā)現，由于能量轉移效率（E_FRET）會隨著能量給體和能量受體之間距離的增加而急劇下降，因此，只有能量給體和能量受體的間距較小時，才能產生較高的能E_FRET。然而，能量給體和能量受體在活性層內的隨機分布導致兩者的距離較大；此外，不可控的組分分布還容易破壞活性層的互穿網絡結構。因此，優(yōu)化第三種成分的分布可以顯著改善光物理性質，提高器件性能。

對基于PM6:Y6:IBC-F的T-OSCs而言，能量給體為IBC-F，能量受體為PM6。因此，使IBC-F分布在PM6相中對于最大限度地利用活性層的光子收集能力進行光電轉換過程至關重要。基于此，西北工業(yè)大學劉劍剛教授團隊提出了一種定位沉積策略，以PM6:Y6:IBC-F體系為例，先將能量給體IBC-F和能量受體PM6混合后制備成膜，然后在其上沉積受體組分Y6，從而構筑第三成分分布可控的體相異質結（CDBHJ）,如圖1（a）所示。結果表明，在體相異質結（BHJ）活性層中，僅有25.1%的IBC-F分布在PM6相中，相應的E_FRET只有46.5%。相比之下，在CDBHJ薄膜中，PM6相區(qū)內IBC-F的含量上升至72.7%，E_FRET增加到66.8%。與此同時，定位沉積策略還可以協同優(yōu)化活性層的結晶和相分離動力學行為，形成以高結晶度、低缺陷態(tài)密度和適當垂直相分離為特征的活性層形貌。基于此，CDBHJ的T-OSCs的PCE和J_SC× FF的值分別達到18.29%和21.45，顯著高于BHJ器件的相應參數。該項研究有力證實了定位沉積策略在精準調控第三種成分分布上具備顯著成效，為提升T-OSCs性能提供了全新的解決思路與技術支撐。

圖1. （a）定位沉積示意圖。BHJ和CDBHJ薄膜中（b）F 1s、（c）N 1s 和（d）S 2p 的動態(tài)X射線光電子能譜圖像。（e）相對分子數量（RMN）的縱向分布。（f-h）在532 nm光源激發(fā)下BHJ和CDBHJ薄膜的Raman Mapping圖。（i）IBC-F在BHJ和CDBHJ薄膜中的分布圖（黃色和藍綠色代表PM6:IBC-F和Y6:IBC-F共混相）和含量百分比（紅色代表PM6:IBC-F和藍色代表Y6:IBC-F共混相）。

圖2. （a）BHJ和CDBHJ薄膜在465 nm光源激發(fā)下的時間分辨熒光（TRPL）光譜。（b）BHJ薄膜和（c）CDBHJ薄膜在475 nm光源激發(fā)下的瞬態(tài)吸收（fs-TA）光譜。

圖3. （a）基于深度依賴吸收光譜模擬的激子數量分布。（b）激子生成速率縱向變化曲線。（c）BHJ器件和CDBHJ器件的J_ph-V_eff曲線。（d）BHJ薄膜和（e）CDBHJ薄膜在750 nm光源激發(fā)下的fs-TA光譜,（f）635和850 nm處基態(tài)漂白信號時間變化曲線。

圖4. （a）二維GIWAXS圖，（b）相應的面外（OOP）和面內（IP）方向的一維強度曲線。（c）層狀堆積（100）和π-π堆積（010）峰的極圖。（d）BHJ和CDBHJ薄膜的Urbach能。

圖5.（a）最優(yōu)的BHJ器件和CDBHJ器件的J-V曲線和（b）EQE曲線。（c）16個器件的PCE直方圖。（d）本文與文獻報告中基于PM6:Y6的T-OSCs的比較（PCE與J_SC × FF）。（e）最優(yōu)的BHJ 器件和CDBHJ器件的V_OC-P_light和（f）J_SC-P_light曲線。（g）BHJ-Device和 CDBHJ-Device的光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性。（h）活性面積為1.21cm²的OSCs的J-V曲線。（i）其他四個代表性體系中BHJ-Device和CDBHJ-Device的PCE。

該工作以“Controlling the Third Component Distribution Toward High-Efficient Ternary Organic Solar Cells”為題發(fā)表在國際期刊《Advanced Energy Materials》上。文章的通訊作者為西北工業(yè)大學劉劍剛教授、梁秋菊副教授和苗宗成教授，第一作者是西北工業(yè)大學電子信息學院博士研究生張鈺通。本研究得到陜西省杰出青年、國家自然科學基金等項目的支持。

全文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202406136

下載：Controlling the Third Component Distribution Toward High-Efficient Ternary Organic Solar Cells

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（責任編輯：xu）

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