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EEM |深圳技术大学张光烨教授课题组:效率18%!全有机太阳能电池的逐层加工与添加剂策略

亮点

  1. 固体添加剂策略调控活性层垂直相分离尺度。

  2. 绿色碳氢溶剂处理的全聚合物太阳能电池。


研究背景

在21世纪,世界能源安全形势面临着诸多挑战,国际能源署(IEA)官方宣布,我们人类正面临“第一次真正的全球能源危机”。在能源如此紧缺的现况下,有机太阳能电池(OSCs)作为一种新兴且极具有潜力的光伏技术受到了学界的广泛关注。相比传统硅基太阳能电池,有机太阳能电池具有轻薄、可大规模印刷制备、力学性质优秀、室内光电转化效率高、能源回报周期短等特色。

近年来,有机太阳能电池领域内的研究者们在分子设计上持续创新,从2015年开发出A-D-A结构小分子受体(SMA)到近年来的明星分子Y6及其衍生物,OSCs的光电转化效率(PCE)已经超过了19%。在此基础上,研究人员以高性能SMA为单元通过聚合的方法合成新型高分子受体,被称为聚合小分子受体(PSMA)。由于这种策略的出现,全聚合物太阳能电池(all-PSCs)的光电转化效率被大幅提高。并且大量研究展示,通过PSMA制备出的OSCs不仅有着高的光电转换效率,更拥有1-sun工况下高的光热稳定性。然而,大多数高性能全聚合物太阳能电池(all-PSCs)依赖氢仿作为加工溶剂,但氢仿除了有环境不友好性和高毒性之外,还具有低沸点和过强的挥发性,使其不适合应用于OSCs的大规模制造技术,如狭缝涂布和刮刀涂布。当人们未来要利用all-PSCs的优异成膜性能和机械性能大规模生产时,氯仿必须更换为标压下沸点更高的加工溶剂。

从器件工程的角度,当下制备OSCs活性层的主流方法包括共混法和逐层制备法。逐层制备法(Sequential processing,亦称Layer-by-layer processing)是张光烨教授博士期间所在团队(UCLA Benjamin Schwartz课题组)于2009年所开发,至今在富勒烯基、小分子非富勒烯基有机太阳能电池中仍有广泛应用,但在全聚合物太阳能电池领域应用相对较少。2021-2023年间,深圳技术大学张光烨研究团队将逐层制备法与甲苯溶剂相结合,不仅解决了氢仿的高挥发性问题,又大幅提升了器件的电子迁移率,使得器件载流子输运更加平衡,最终实现了一系列性能优于传统氯仿溶剂制备的共混法全聚合物太阳能电池。



文章简读

在本文中,我们基于前序研究成果,提出了一种以甲苯(较高沸点的芳香碳氢溶剂)为加工溶剂、采用逐层制备法(SqP)与添加0.5%wtPC71BM的固体添加剂(SA,添加到活性层溶液中)相结合的方法来进一步提升全聚合物太阳能电池的效率。具体来说,我们采用PM6作为给体聚合物,PJ1-y作为PSMA来制备all-PSC 器件。首先,我们展示了PCE为17.4%的SgFPM6/PJ1-y器件,而BC 器件的PCE仅为15.8%。随后,当0.5%的PC71BM作为SA引入到活性层中后,PCE进一步增加至18.0%(PM6/PJ1-+SA)。紧接着我们采用薄膜深度相关吸收光谱(FLAS)测试表明,SA 的加入改善了活性层中给体与受体之间的垂直相分离尺度,进而有助于提高界面的选择性,延长载流子寿命,减少表面复合和载流子被提取的时间,并提高电子迁移率,从而使电子/空穴传输更加平衡高效。除此之外,我们还利用最大功率点跟踪(MPPT)技术研究了PM6与PJ1-y材料体系下的器件光稳定性,结果显示在甲苯加工溶剂、SA和SqP制备方法的共同作用下PM6/PJ1-y+SA的器件在连续暴露于1个太阳光照超过400小时后,仍表现出约80%的PCE保留率,这个时间比空白对照组PM6:PJ1-y达到80%PCE保持率所经历的时间(65小时)长六倍以上。此外,我们把在PJ1-V(PSMA)材料体系下的所获得的实验结果与另一个 PSMA(PYF-T-0)体系下的实验结果进行比较,所得的主要结论一致。



图文赏析


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图1.a)、PM6、PYF-T-0、PJ1-γ和PC71BM 的化学结构;b)、相关能级图;c)、纯PM6、纯受体和受体+SA(0.5%wt)薄膜的紫外可见吸收光谱;d)、BC与SqP区别示意图;e)、 电流密度-电压(JV)曲线

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图2. 基于BC膜(a-c,e)和SqP膜(d,f)的FLAS活性层膜垂直方向的成分比。

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图3.使用最大功率点跟踪(MPPT)的测试方法,各类型器件的光电转化效率持续在一个太阳光的工况下的变化情况。

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图4.a-d)、基于 PJ1-γ的共混薄膜的2D-GIWAXS图案。e)、基于PJ1-γ的共混薄膜的 2D GIWAXS 图案面内和面外的线切割图。


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《能源与环境材料(英文)》(Energy & Environmental Materials创刊于2018年,是由郑州大学和Wiley出版集团共同主办的国内外公开发行的英文期刊,主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台,激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策,共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发,促进人类社会可持续健康发展。期刊2022年度影响因子为15,JCI指数1.58,5年影响因子16.5,2022年度CiteScore为20.5,SNIP指标为2.425。在材料科学各领域位列前茅,其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD等数据库。


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