Advanced Materials: 刀片刮涂非烏拉爾林有機太陽能電池在空氣中具有優良的形態、效率和穩定性

【引言】

體異質結(BHJ)有機太陽能電池(OSCs)以其重量輕、溶液處理能力強、與柔性襯底相容性好、卷對卷加工等突出優點而備受關注。近幾十年來，人們對材料合成和器件結構工程進行了廣泛的研究，取得了巨大的進展。近年來，富勒烯衍生物受體以其優異的光吸收性能、良好的穩定性、易調節的化學結構和低成本的制備工藝，在OSCs領域顯示出廣闊的應用前景。與富勒烯類器件的最高功率轉換效率(PCE)為11.7%相比，非烏拉爾烯OSCs已經顯示出單結器件的PCE為13.1%，串聯器件的PCE為14.9%，接近商業應用價值。

【成果簡介】

近日。來自西安交通大學馬偉教授（通訊作者）在Advanced Materials發表文章，題為：Blade‐Cast Nonfullerene Organic Solar Cells in Air with Excellent Morphology, Efficiency, and Stability。研究人員采用刮涂法，在非尤勒雷有機太陽能電池中獲得了10.03 %的平均功率轉換效率( PCE )，高于最佳旋涂器件( PCE為9.41 % )。結果表明，刀片涂層可以誘導共軛聚合物供體和小分子受體產生更高程度的分子堆積，因為它有助于產生含有大量晶粒的晶種膜，隨后當刀片的運動暴露于液體前沿時，為殘余溶液提供成核位點。由于這種效應，刀片涂層可以部分替代添加劑1，8-二碘辛烷( DIO )的作用，從而以較少的添加劑獲得優化的形貌。此外，與1 % DIO的旋涂膜相比，0.25 % DIO的旋涂膜不僅具有更小的分布尺寸，而且具有更高的分布純度，表明其具有更高的D/A界面和更純的相疇。令人鼓舞的是，DIO含量較低(0.25 %)的旋涂期間比DIO含量為1 %的旋涂裝置具有更好的穩定性，具有良好的應用前景。

【圖文導讀】

圖1. 材料結構和光譜分析

a)旋涂和刮涂示意圖；

b) PBDB‐T和ITIC的化學結構；

c)紫外-可見吸收光譜；

d )通過旋涂或刮涂制備的PBDB-T和ITIC膜的GIWAXS圖；

圖2. 性能分析

PBDB - T : ITIC器件的j-V曲線，制備方法為: a )旋涂和b )不同添加劑含量的刮涂；

c ) EQE曲線；

d ) Jph-Veff曲線；

e )短路電流密度的依賴性；

f )對于分別具有1 % DIO的旋涂和具有0.25 % DIO的刮刀涂層，開路電壓對光強的依賴性；

圖3. 結構分析

a–h ) GIWAXS 2D散射圖案；

I )通過旋涂或刮涂制備的具有不同添加劑含量的PBDB-T:ITIC共混膜的線圖；

圖4. RSoXS圖譜

用旋涂法或刮涂法制備的不同添加劑含量的PBDB‐T:ITIC共混膜的RSoXS圖譜；

圖5. 含1 % DIO的旋涂器件和含0.25 % DIO的刀片涂覆器件的歸一化光伏參數

a )在無封裝的環境中在連續AM 1.5G太陽照射下作為照射時間的函數；

b )在氮氣氛中作為時間的函數；

【總結】

綜上所述，研究人員采用旋涂法和刮涂法制備了空氣中不同DIO含量的PBDB-T:ITIC器件。當DIO含量為0.25 %時，刀片涂層器件的PCE最高可達10.03 %，高于DIO含量為1 %時的最佳旋涂器件。刀片涂層被證明對供體和受體都有誘導較高程度的分子堆積，因為當刀片的運動暴露液體前沿時，它有助于先產生含有大量晶粒的晶種膜，并且這些晶體為殘余溶液提供成核位點，隨后沿著剪切方向傳播。因此，DIO的部分作用可以由刀片涂覆技術代替。研究還發現，共混膜的相分離比旋涂膜對添加劑的變化更敏感。與1 % DIO的旋涂膜相比，0.25 % DIO的旋涂膜不僅具有較小的分布尺寸，而且具有較高的分布純度。結果表明，DIO含量較低的刀片涂層器件比旋涂器件具有更好的穩定性，這是因為在環境光照條件下，殘余DIO分解為碘辛烷和碘自由基的程度較低，且形貌演化較慢，供體和受體分子的擴散能力較低。

文獻鏈接：Blade‐Cast Nonfullerene Organic Solar Cells in Air with Excellent Morphology, Efficiency, and Stability，(Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201800343)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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