ACS Energy Lett.：LBL技術助力制備效率> 17%的高性能聚合物太陽能電池

【研究背景】

聚合物太陽能電池（PSCs）由于其獨特的優勢，如通過高通量滾軋（R2R）工藝實現低成本生產、機械柔性、重量輕等，近年來受到了廣泛關注。一直以來，研究人員利用電子給體和受體的共混物溶液通過旋涂的方式得到體異質結（BHJ）光活性層，基于這種類型活性層的PSCs被稱為BHJ聚合物太陽能電池。得益于新型光伏材料、巧妙的光活性層形貌控制和高效電極界面材料等共同努力，BHJ PSCs最近已達到16%-18%的能量轉換效率(PCEs)。雖然BHJ-PSCs已經取得了很大的成功，但一步法溶液加工工藝并不是制備高效PSCs的理想方法，因為（i）BHJ形貌的形成是一個極其復雜的過程，（ii）光伏活性層的BHJ形貌強烈依賴于混合溶液的狀態，（iii）組分的垂直分布很難精確控制，（iv）在混合溶液的凝固過程中，給體和受體的結晶不可避免地相互干擾。

【成果簡介】

近日，華南師范大學蔡躍鵬教授、劉升建教授等人將逐層加工法（LBL）用于制造高效的聚合物太陽能電池。結果表明，通過使用溶劑添加劑1,8-二碘辛烷（DIO）可以很好地調節垂直組成分布。DIO誘導的良好的垂直成分分布（中子反射，Neutron Reflectivity, NR）與改善的結晶度(略入射廣角X射線散射，Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering, GIWAXS)共同作用，有助于獲得有效的激子解離、電荷運輸和抽取、有限的電荷復合損失。最終得到優化的LBL器件的效率為16.5％，高于作為參照的體異質結太陽能電池的15.8％的效率。重要的是，研究人員進一步設計了PM6/Y6:PC₇₁BM LBL活性層，得到效率超過17％雙層三元太陽能電池，這是迄今為止報道的LBL太陽能器件的最高效率。這些發現表明，溶劑添加劑輔助的LBL溶液加工工藝對太陽能電池的進一步優化具有更廣泛的意義。該文章近日以題為“Vertical Composition Distribution and Crystallinity Regulations Enable High-Performance Polymer Solar Cells with >17% Efficiency”發表在知名期刊ACS Energy Lett.上。

【圖文導讀】

圖一、給體受體結構及LBL示意圖

（a）給體PM6以及受體Y6的化學結構式。

（b）LBL加工方法示意圖。

圖二、材料性能參數圖

（a）這項工作中使用的材料的能級排布。

（b）PM6，Y6，LBL PM6/Y6和BHJ PM6：Y6的歸一化UV-vis吸收光譜。

圖三、光伏性能

（a）用DIO的不同體積比處理的LBL太陽能設備的J-V曲線。

（b）LBL太陽能電池的優值與DIO體積比的關系圖。

圖四、LBL膜的垂直分布

（a）中子反射率分布圖，反射率實驗數據顯示為單個點，模型擬合以直線表示，以及無DIO和有DIO的LBL薄膜的SLD與厚度的對應模型。

（b）Y6體積比作為歸一化厚度剖面的函數。

圖五、活性層垂直分布演化示意圖

有無DIO時LBL光活性層中垂直成分分布演化示意圖。

圖六、活性層GIWAXS表征

（a-c）2D GIWAX圖像和（d-f）具有不同DIO含量的LBL活性層的平面內和平面外線切割：（a，d） 0 vol% DIO，（b，e）0.5 vol% DIO，（c，f）1 vol% DIO。

圖七、空間電荷限制電流(SCLC)測量

（a）通過SCLC測量確定的空穴和電子遷移率的直方圖。實色欄為單空穴的數據，圖案化的線條為單電子的數據。

（b）LBL器件的光電流密度（J_ph）與內部電壓（V_int）的關系。

圖八、基于LBL的三元太陽能電池

（a）優化的三元LBL和BHJ太陽能器件（ITO/PEDOT:PSS/活性層/PDINO/Ag）的J-V曲線。

（b）LBL和BHJ太陽能設備在氮氣氣氛中的穩定性測試。

【結論展望】

綜上所述，作者發現LBL溶液加工技術可以制備出高效的太陽能電池，二元和三元LBL太陽能電池的PCE值分別達到16.5%和17.0%。通過系統的有機太陽性能表征發現，LBL溶液工藝參數—溶劑添加劑DIO—對電池的光伏性能有顯著影響。特別是太陽能電池的填充因子（FF）從無添加劑器件的≈65%提高到使用0.5 vol% DIO優化器件的≈77%。對NR數據的詳細分析表明，在溶劑添加劑DIO的幫助下，LBL活性層可以同時獲得較大的給體/受體界面、較厚的互擴散區、陽極附近的給體聚集層和陰極附近的受體聚集層。2D-GIWAXS分析表明，在優化后的LBL活性層（0.5vol%）中，DIO可以改善其結晶度和主鏈的“面向”取向。與BHJ太陽能電池相比，LBL太陽能電池具有優越的光電性能和長期的器件穩定性，這表明LBL溶液加工技術是一種潛在的器件制造技術，可以用來生產更高效的聚合物太陽能電池。該論文進一步強調了調整互擴散層（垂直分量分布）對提高LBL太陽能電池效率的重要性。

文獻鏈接：Vertical Composition Distribution and Crystallinity Regulations Enable High-Performance Polymer Solar Cells with >17% Efficiency (ACS Energy Lett., 2020, 5, 3637-3646)

本文由大兵哥供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。