華南理工黃飛團隊Joule：單組分無鹵溶劑加工高性能有機太陽能電池模組，效率超過14%

【引言】

本體異質結（BHJ）有機太陽能電池（OSCs）由于其在通過高通量印刷技術制造大面積太陽能電池板和彩色半透明器件的巨大潛力而受到廣泛關注。近年來，得益于非富勒烯受體（NFAs）高效電荷產生和分離、低能量損失、可調吸收光譜和能級等明顯優勢，OSCs在能量轉換效率（PCE）方面取得了很大的進展。其中，Y6及其衍生物是非富勒烯受體領域最重要的突破之一，使單結OSCs的PCE提升超過16%，在獲得高性能模組器件方面顯示出巨大潛力。雖然基于NFAs的小面積器件取得了令人鼓舞的結果，但大面積模組效率仍然遠遠落后。構建大面積模組的主要問題之一是加工溶劑的毒性：高性能的旋涂小面積器件通常是利用鹵素溶劑（如氯苯、氯仿等）在手套箱中制備；但在制作大面積模組時，有毒溶劑對人員和環境的威脅不容忽視。為了提高無鹵溶劑加工OSCs的性能，研究人員做了包括修改活性層的分子結構、加入添加劑、采用新的器件結構等方面努力，但由于活性層的不利形貌，高效活性層和低毒加工溶劑的組合選擇仍較少。此外，還應考慮到在旋涂小面積器件中，由于強烈的離心效應，活性層可以迅速固化。但在印刷大面積模組器件中，活性層往往要經歷相對較長的固化時間，這將導致活性層材料進一步聚集。因此，抑制活性層的過度聚集應該是有效縮小旋涂小面積器件和印刷大面積模組之間的效率差距的一種潛在策略。因此，通過熱溶劑加工、真空輔助退火、設計共聚物和引入添加劑等措施均被用來抑制印刷活性層的過度聚集，追求最佳的形貌。但是，關于無鹵溶劑加工的高性能OSCs組件的研究報道較少，以往文獻中最佳的PCE為10.4%。

【成果簡介】

近日，華南理工大學黃飛教授課題組設計了一種非富勒烯受體DTY6，并應用于有機太陽能電池（OSC）模組器件中。當與給體PM6混合時， 使用無鹵溶劑鄰二甲苯（XY）加工的OSCs表現出優異的性能，能量轉換效率（PCE）超過16%。相反，當使用鄰二甲苯加工基于PM6:Y6的OSCs時，器件表現出較差的性能（PCE<11%）。詳細的研究表明，由于Y6的過度聚集，Y6在混合膜中出現了極大的受體相，導致Y6向PM6的空穴轉移效率低下，非輻射復合增強。相反，基于DTY6的薄膜表現出較為合理的相尺寸，從而保證了DTY6向PM6的高效空穴轉移和低的非輻射復合。基于上述結果， 通過刮刀涂布法制備了無鹵溶劑鄰二甲苯加工的大面積（活性層面積為18 cm²）不透明和半透明的PM6：DTY6模組器件，并獲得了14.4％和11.6％的優異PCEs。該成果以題為“Single-Component Non-halogen Solvent-Processed High-Performance Organic Solar Cell Module with Efficiency over 14%”發表在了Joule上。

【圖文導讀】

圖1 化學結構、能級圖和吸收光譜圖

（A）本研究中使用的材料和溶劑的化學結構。

（B）PM6、Y6和DTY6的能級圖。

（C）Y6在溶液和薄膜中的吸收光譜。

（D）DTY6在溶液和薄膜中的吸收光譜。

圖2 活性層薄膜的表面形貌和相分離

（A-D）不同溶劑加工的PM6:Y6和PM6:DTY6共混活性層薄膜的AFM圖像。

（E-H）不同溶劑加工的PM6:Y6和PM6:DTY6共混活性層薄膜的TEM圖像。

圖3 活性層膜的分子堆積行為

（A-D）不同溶劑加工的PM6:Y6和PM6:DTY6共混物的活性層膜的GIWAXS二維圖形。

（E）相應的平面外（實線）和平面內（虛線）剖線輪廓。

圖4 器件性能、電荷復合行為和能量損失

（A）J-V曲線。

（B）EQE曲線。

（C）V_oc與光強度的關系。

（D）FTPS-EQE光譜。

（E）EL光譜。

（F）能量損失。

圖5?大面積不透明和半透明組件

（A）基于PM6:DTY6的不透明和半透明模組的實物照片，有效面積為18 cm²。

（B）基于PM6:DTY6的不透明和半透明模組的J-V曲線。

（C）文獻報道的有效面積大于10 cm²的大面積不透明模組的PCE比較。

【小結】

綜上所述，團隊通過延長Y6分子的烷基鏈，合成了一個非富勒烯受體（DTY6）。當與聚合物給體PM6混合時，無論加工溶劑是CF還是XY，PM6:DTY6基OSCs均表現出超過16%的PCEs。然而，對于PM6:Y6的體系，XY加工的OSCs光伏性能較差，PCE < 11%，遠遠落后于氯仿（CF）加工的器件（PCE = 15.7％）。詳細研究發現，XY加工的PM6:Y6器件較低的PCE源于Y6的過度聚集，導致Y6向PM6的空穴轉移效率低，非輻射復合增強。相比之下，對于PM6:DTY6的共混物，由于長支烷基鏈保證了溶劑加工能力，并且長支烷基鏈的空間位阻效應抑制了過度聚集，CF和XY加工后的薄膜表面更加光滑，相分離合理，相尺度較小。在這些結果的基礎上，制備了無鹵溶劑XY加工的活性面積為18 cm²的大面積組件，獲得了14.4%的優異PCE，經第三方認證機構認證為13.98%。此外，還制備了半透明組件，當沉積20 nm Ag作為半透明電極時，獲得了11.6%的最佳PCE。研究結果表明，側鏈工程是實現無鹵溶劑加工大面積高效組件的有效策略。

文獻鏈接：Single-Component Non-halogen Solvent-Processed High-Performance Organic Solar Cell Module with Efficiency over 14%（Joule， 2020，DOI: 10.1016/j.joule.2020.07.028）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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