Adv. Energy Mater：華南理工&上海交大-新型添加劑助力有機聚合物太陽能電池有望實現大面積印刷

Balance Song 7年前 (2016-10-29) 4067瀏覽

【引言】

有機太陽能電池因其成本低、重量輕和容易實現大面積柔性器件制備等優點成為一種可再生新能源，并越來越受到人們的關注。 在本體異質結太陽能電池中，活性層通常由給體和受體組成，對活性層的優化是提高太陽能光電轉化效率（PCE）的重要手段。在以PTB7：PC71BM分別作為給受體的活性層材料被廣泛應用在窄帶系聚合物太陽能電池體系中，其光電轉化效率在2011年就達到了9%。這種體系的活性層厚度通常在100nm左右。Marks組將PCE做到了7.98%, 6.63%，7.98%, 6.63%，其對應的活性層厚度分別為100，195，300nm。縱然較厚的活性層會獲得較高的短路電流，但同時也會使其填充因子（FF）驟降，從而影響其光電轉化效率。為了使太陽能電池實現高速印刷的同時保持足夠的轉化效率，就要求活性層厚度具有一個合適的變換窗口范圍。實驗證明通過使用添加劑可以很有效的改變太陽能電池的界面厚度和形貌。

【成果簡介】

近日，來自華南理工大學陳軍武教授（通訊作者）、Zhang Lianjie （通訊作者）及曹鏞院士及上海交通大學劉烽教授（通訊作者）等共同合成了一種添加劑o-chlorobenzaldehyde（CBA，鄰氯苯甲醛）。相對于傳統的添加劑1,8-diiodooctane (DIO，二碘辛烷)，CBA的沸點由332.5℃降低為212℃，在對活性層進行真空干燥時更容易被去除，從而影響其形貌特征。將該添加劑應用在經典的PTB7:PC71BM體系中，當活性層厚度200-300nm時，使用CBA的活性層與使用DIO作為添加劑的的活性層相比，PCE效率分別為9.11%和8%。

【圖文導讀】

圖1.材料分子結構及熱處理原理圖

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a) PTB7和PC71BM的結構。

B）CB（氯苯）、CBA（鄰氯苯甲醛）、DIO（二碘辛烷）的結構以及沸點。

C）DIO熱處理對干燥區PC71BM的影響原理圖。上層的DIO首先蒸發形成新相，當下層DIO逐漸蒸發時，不可避免的將從干燥區經過，從而影響干燥區PC71BM的結構。而較厚的活性層需要更長的時間進行蒸發處理，影響添加劑DIO的作用，從而使PC71BM富集。

圖2.材料的J-V、PCE、EQE曲線

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?a）DIO 和 CBA 分別為3%和 5%條件下100nm厚的活性層材料 的J-V曲線。

b）用CBA作為添加劑活性層厚度為100nm的材料其PCE值。

c）3% DIO 和5% CBA分別作為添加劑的PCE的值。

d）5% CBA作為添加劑，不同膜厚材料對應的外量子數。

圖3. 不同厚度下材料的TEM圖

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a-c）3% DIO作為添加劑，活性層厚度為100, 200, 300 nm的PTB7：PC71BM材料的TEM圖。

d-f）5% CBA作為添加劑，活性層厚度為100, 200, 300 nm的PTB7：PC71BM材料的TEM圖。

圖4. ?不同添加劑作用下的共振X射線衍射圖樣

a）以3% DIO or 5% CBA為添加劑，活性層厚度為200nm的共振X射線衍射圖樣。

b）活性層厚度為100nm的不同濃度CBA作為添加劑的材料的電子空穴流動性

c）活性層厚度為100-300nm的不3%DIO和5%CBA作為添加劑的材料的電子空穴流動性。

圖5. 不同活性層厚度的吸收光電壓與光電流

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a）、b）活性層厚度為100nm，3%DIO和5%CBA作為添加的的活性層材料的瞬間光電壓和瞬間光電流。

【展望】

新型添加劑的出現，簡化了器件的優化過程，使得器件的活性層在100-300nm范圍之內仍能保持較高的光電轉化效率，為有機聚合物太陽能電池工業化大面積印刷提供了可能。相信在不久的將來，柔性聚合物太陽能電池將會走進大眾的生活。

文獻鏈接：Using o-Chlorobenzaldehyde as a Fast Removable Solvent?Additive during Spin-Coating PTB7-Based Active Layers:?High Effciency Thick-Film Polymer Solar Cells?（Adv. Energy Mater.，2016，DOI: 10.1002/aenm.201601344）

本文由材料人編輯部新能源學術組 大宋 供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。

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