CSNS中子反射率表征有機太陽能電池內部垂直相分布結構

研究背景/導讀：

聚合物太陽能電池（PSCs）具有低成本生產、機械柔性、重量輕等優點。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）?PSCs，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BHJ制備工藝并不是制備高效PSCs的理想方法，因為（i）BHJ形貌的形成強烈依賴于混合溶液的狀態；（ii）給受體的垂直分布很難控制；（iv）給受體結晶時不可避免的相互干擾。而雙層加工法（LBL）可以很好的解決上述問題。另外，在光活性層垂直相分離研究方面，XPS，TEM等手段對有機薄膜進行內部結構表征時都會引入雜質或破壞樣品。

成果簡介：

近日，華南師范大學劉升建教授團隊聯合中國散裂中子源王黎明助理研究員利用中子反射率（Neutron Reflectivity，NR）技術對逐層加工法（LBL）制備的高效全聚合物太陽能電池（all-PSCs）進行了給受體垂直分布的分析。結果表明，通過使用溶劑添加劑1-氯萘（CN）可以很好地優化給受體在薄膜內部的垂直組成分布。結果顯示CN誘導的優化的垂直分布與改善的結晶度共同作用，有助于電荷運輸和抽取以及有限的電荷復合損失。通過微觀成分分布結合宏觀性能分析，最終制備出效率16.1%，填充因77.3%的LBL器件。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“Superior layer-by-layer deposition realizing P–i–N all-polymer solar cells with efficiency over 16% and fill factor over 77%”發表在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上。

更早一些時候，雙方團隊同樣利用中子反射技術對LBL制備的PM6/Y6薄膜給受體垂直分布進行了結構表征和優化。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與改善的結晶度串聯，有助于有效的激子離解、電荷運輸和萃取有限的電荷復合損失。因此，優化的LBL器件的效率為16.5％，高于對照體異質結太陽能電池的15.8％的效率。重要的是，基于PM6/Y6：PC₇₁BM LBL有源層的三元太陽能電池顯示出有前途的效率超過17％。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。這是截至發稿時報道的LBL太陽能器件的最高效率。

圖文導讀：

圖一（a）全聚合物體系中BHJ、LBL薄膜結構示意圖。（b）目前報道效率達到8%以上的all-PSCs的能量轉換效率(PCE)與填充因子(FF)統計圖。

圖二、不同含量添加劑CN下的雙層加工PBDB-T/PJ1器件的電流–電壓和外量子效應圖。

圖三、（a）不同體積比CN下的PBDB-T/PJ1活性層的中子反射曲線，（b）擬合獲得活性層深度方向上的受體的垂直分布。

NR擬合結果結果顯示，在活性層的內部會形成一個給體和受體均勻混合層，且CN可調節均勻混合層所占整體薄膜厚度的比例，高比例的均勻混合層為電荷輸運提供了良好的通道。這種給受體兩端富集，中間均勻的結構形成的P-i-N異質結有利于孔洞和電子在相應電極的傳輸和釋放，從而光電轉化效率也得到了顯著提高。

圖四、（a）不同體積比CN下的PBDB-T/PJ1的GIWAXS示意圖以及（b）相應成分下的GIWAXS面內和垂直面方向的切線圖。?

綜上所述，作者通過LBL溶液加工技術可以制備出高效的太陽能電池。利用NR、GIWAXS表征CN添加劑對活性層內部給受體的垂直分布和結晶的微觀結構的影響，通過宏觀性能結合微觀結構，分析發現P-i-N異質結的結構形成有利于孔洞和電子在相應電極的傳輸和釋放，最終制備出效率為16.1%的全聚物太陽能電池器件。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控相互擴散層（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：Superior layer-by-layer deposition realizing P–i–N all-polymer solar cells with efficiency over 16% and fill factor over 77%?（J. Mater. Chem. A, 2022,10, 10880-10891?）

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)

文獻鏈接：Quantitative Determination of the Vertical Segregation and?Molecular Ordering of PBDB-T/ITIC Blend Films with Solvent?Additives（ACS Appl. Mater. Interfaces?,?2020, 12,?24165?24173)

文獻鏈接：Impact of Donor?Acceptor Interaction and Solvent Additive on the?Vertical Composition Distribution of Bulk Heterojunction Polymer?Solar Cells?（ACS Appl. Mater. Interfaces?, 2019, 11,?45979–45990)

本文由作者供稿。