三元合金策略与准平面异质结策略应用于非富勒烯有机太阳电池

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有机太阳电池(OSC)是一种通过有效地将光能有效转换为电能的既定方法和可选方法。基于溶液处理的有机光伏(OPV)由于许多明显的优势而在科学界引起关注,例如重量轻、转移方便、柔性穿戴、半透明、彩色模块以及可快速的卷对卷制造。迄今为止,OPV的能量转换效率(PCE)已超过18%。在二元体系中加入第三组分制备三元有机太阳电池是一种提高太阳电池光电转换效率的有效方式,但大多数三元有机太阳电池是通过简单地将三种组分混合以制造本体异质结(BHJ)OSC来制备的。尽管传统的BHJ活性层具有更多的给受体(D/A)接触界面,但却很难控制垂直相分离梯度,此外内部可能有一些不兼容的第三组分的孤岛区域,导致电荷的复合和效率的降低,因此对于如何选择合适的第三组分以及合理地优化活性层垂直相分离就显得极为重要。针对这些问题,本文拟通过顺序旋涂法制备得到准平面异质结(PPHJ)结构来改善活性层垂直相分离以及合理地选择第三组分来减少孤岛区域的产生从而降低电荷复合的概率,以期达到提高有机太阳电池PCE以及稳定性的目的。首先,利用宽带隙给体PM6和两个结构极其相似的非富勒烯受体(IT-4F和F8IC)来制造本体异质结三元有机太阳电池。将超窄带隙材料F8IC(Eg=1.27e V)作为第三组分,实现了13.8%的出色PCE。在此基础上,我们开发了一种通过顺序旋涂给体和受体的方法来制造三元太阳电池的方法。将给体和受体混合物依次旋涂成膜,得到了准平面异质结三元OSC,通过深度X射线光电子能谱(DXPS)测试证明了活性层垂直组分分布得到了合理调控,最终实现了14.2%的PCE。同时,通过一系列深入的探索,包括接触角测试(WCA)、原子力显微镜测试(AFM)、透射电镜测试(TEM)、差示扫描量热法(DSC)以及掠入射X射线衍射(GIXRD)等手段证明了合金受体的状态很可能在两个受体之间形成。这项工作表明非富勒烯合金受体对于实现高效PPHJ三元有机太阳电池可能具有巨大的潜力。此外,在研究工作中发现PM6:F8IC二元体系在接近零HOMO能级驱动力的条件下依然可以实现23.0 m A/cm~2的最大短路电流(Jsc)和12.2%的PCE。由于可以在基于F8IC:IT-4F和F8IC:Y6的有机半导体合金受体材料实现能级水平的连续可调,因而可以将合金第三组分用作能级调节剂。给受体之间的能级驱动力的合理调控增大了活性层的空穴传输速率,减小了能量损失(Eloss),因而三元器件的性能及PCE均得到显著提高,都实现了13.8%的高PCE,Jsc分别提高到了24.4和25.2 m A/cm~2。此外,通过顺序旋涂法制备的基于合金受体的准平面异质结三元两层器件进一步提高了光伏性能。该工作提出了能级调节剂的概念,并证明了三元合金策略在持续调节能级驱动力方面具有独特的优势和巨大的研究前景,为加深理解OSC的电荷转移状态提供了新的思路。
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