武漢大學閔杰Joule：有機太陽能電池逐層刮涂方法克服組件效率的滯后

【背景介紹】

溶液處理的有機太陽能電池（OSCs）因其重量輕、成本低、易于制造柔性和半透明器件等優點，而被認為是下一代光伏電池之一。在過去的二十多年中，有機太陽能電池主要是基于體相異質結（BHJ）結構來制備，并取得了快速的發展，效率從3%提升到了17%。BHJ結構是由給體和受體材料溶液共混構建，其通常有利于激子分離和載流子傳輸，并能夠有效提升光伏體系的短路電流和填充因子。盡管如此，BHJ結構也存在諸多缺點。一方面，基于BHJ結構的活性層形貌通常比較難以調控，最優形貌難重復，人為因素大。另一方面，基于BHJ結構的器件中存在給體和受體的“孤島”，這些相域與上下電極都沒有連接；同時該類型器件中還會有“半島”存在，即給體的“半島”與陰極接觸，受體的“半島”與陽極接觸；這些形貌特點會導致顯著的非孿生復合損失，并影響電池性能。此外，隨著電池或模組面積的增大，這些損失將進一步加劇，并造成小面積電池和大面積模組效率的巨大差異。

一個廣泛的觀點是，OSCs活性層的最佳形態應該是偽雙層結構（如p-i-n結構）。在以前的研究中已經證明，應用于小面積OSCs制備的逐層涂膜工藝（LbL）方法是構建偽雙層膜的一種有希望的替代方案。例如，LBL方法能夠有效的提升光吸收率，并且還可以有效地降低OSCs的效率-穩定性差距。然而，到目前為止，還沒有將逐層涂膜LbL方法應用到大面積太陽電池組件制備的研究報道。總的來說，從這些原因出發，為了走上工業化應用的關鍵一步，研究逐層涂膜LbL方法是否具有應用到大面積印刷有機太陽能電池和組件的潛力是十分必要的。

【成果簡介】

近日，武漢大學高等研究院閔杰研究員報道了一種逐層刮涂(LbL)方法，可以有效克服有機太陽能電池模組效率的滯后。采用LbL涂層策略，在空氣環境中逐層刮涂空穴傳輸層，給體層，受體層和電子傳輸層制備出效率16.35%的小面積器件（0.04 cm²），并利用該技術成功制備出效率為11.86%，面積為11.52 cm²，幾何填充系數為91.4%的電池模組，對有機太陽能電池模組的產業化發展具有重要意義。該成果近日以題為“A Layer-by-Layer Architecture for Printable Organic Solar Cells Overcoming the Scaling Lag of Module Efficiency”發表在著名期刊Joule上。

【圖文導讀】

圖一：BHJ和LbL系統的原理圖、化學結構和光學特性

（a）LbL刀片涂層方法的示意圖和OSCs設備結構的原理圖。

（b）在本工作中調查的給體和受體材料的化學結構。

（c）最佳BHJ和LbL活性層的光學性質。

（d-e）模擬了活性層厚度為120nm的BHJ（d）和LbL（e）OSCs的光吸收速率。

圖二：BHJ和LbL共混體的成膜性能及其3D形態特征和可能的物理動力學機制

（a-b）在PEDOT：PSS層上刀片的BHJ（A）和（B）LbL薄膜的2D GIWAXS剖面。

（c）一維GIWAXS線曲線相對于平面內（IP）方向和平面外（OOP）方向。在臨界入射角為0.02的情況下，獲得了BHJ和LB L薄膜的IP和OOP剖面。

（d-e）（d）BHJ和（E）LbL薄膜在1,536 cm^-1（Y6）處的PiFM形貌圖像。

（f）BHJ和LbL樣品的TOF-SIMS離子產率隨濺射時間的變化而變化。這里顯示了N元素對Y6的深度剖面。

（g-h）BHJ（G）和LbL（H）共混器件的形態特征和可能的物理動力學機制的視覺插圖。

圖三：BHJ和LbL器件的光電參數及其物理動力學

（a-b）最佳性能的BHJ和LbL基設備的J-V（a）和EQE（b）曲線。

（c）PCE的直方圖為30個BHJ電池和30個LbL電池。

（d）從BHJ和LbL薄膜中獲得的空穴遷移率；由Photo-CELIV測試獲得的BHJ和LbL器件的載流子遷移率。

（e）不用光照強度下載流子密度和載流子壽命的函數關系及其擬合。

圖四：大面積太陽能組件的制造與器件性能

（a）大面積太陽能組件的LbL工藝流程圖。

（b）基于LbL PM6/Y6薄膜的太陽能組件圖像，活性面積為11.52cm²，最佳GFF為91.4%。

（c）使用BHJ和LbL涂膜方法制備器件的J-V曲線。

（d）PCE直方圖為15個BHJ太陽能組件和15個LbL太陽能組件。

（e）BHJ和LbL太陽能電池和組件的串聯電阻值。

（f）不同器件面積和加工技術的優化器件PCEs的時間演變圖，以及太陽能組件PCEs在用不同印刷或涂層技術制備上的分布圖。

（g）有機太陽能組件的PCEs基于GFF值方面的分布圖。

【小結】

報告了一種LbL逐層涂膜方法，作為高性能大面積太陽能電池和組件的可印刷策略。該方法具有光吸收率高、合適的垂直相分離、良好的實用性等優點，賦予了LbL器件優異的電荷傳輸和萃取性能。因此，基于LbL的PM6/Y6 OSCs的PCE（16.35%）比傳統BHJ涂膜方法（15.37%）更高。此外，文章中也研究了其他三種高性能非富勒烯體系，包括PM6：Y6-2Cl、PTQ10：Y6和PM6：Y6-C2，進一步證明了LbL涂層方法的優良通用性。進一步，與BHJ組件（10.15%）相比，在有效面積為11.52cm²，GFF超過90%的情況下，基于LbL的組件能夠獲得更高的器件效率（11.86%）。這些結果表明LbL處理策略可以顯著減小組件效率的滯后。總之，這項工作不僅進一步揭示了LbL涂層策略的獨特優勢，而且還展示了一種成功的印刷技術，即通過LbL策略處理光活性層，將有機太陽能電池升級到高性能的大規模生產和工業應用。

文獻鏈接：A Layer-by-Layer Architecture for Printable Organic Solar Cells Overcoming the Scaling Lag of Module Efficiency(Joule 2019, DOI:10.1016/j.joule.2019.12.004)

通訊作者簡介

閔杰研究員，武漢大學高等研究院特聘研究員、博導。主要研究方向：有機太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池等。

2008-2011年在中國科學院化學研究所李永舫院士課題組攻讀聯合培養碩士，2015年獲得德國埃爾朗根-紐倫堡大學博士學位，之后留在Christoph J. Brabec教授團隊從事博士后研究。2017年至今任武漢大學高等研究院研究員，獨立建組，并從事有機太陽能電池及其相關方向的研究工作：重點圍繞“材料化學-形貌物理-衰減機制-器件工程”的研究鏈條開展目標導向性基礎研究，解決光電領域中關鍵科學問題和關鍵技術問題。回國三年來，以通訊作者身份在Joule（1篇）; Energy Environ. Sci.,（3篇）; Adv. Mater（1篇）; Adv. Energy Mater（3篇）; Angew. Chem. Int. Ed,（1篇）等學術期刊上發表論文23篇。

本文由大兵哥供稿。

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