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南昌大學陳義旺教授課題組成果報道丨在三元有機太陽能電池準平面異質結方面取得新進展

來源：測試GO 時間：2020-12-04 17:36:05 瀏覽：6721次

本文主要由論文第一作者萬繼撰寫。在此，特別感謝南昌大學高分子及能源化學研究院陳義旺教授課題組的大力支持。謝謝大家對我們的持續關注！

在三元有機太陽能電池準平面異質結方面取得新進展

研究背景

由化石燃料引起的能源短缺和環境污染已成為亟待解決的問題，更換清潔，可回收的綠色能源可以緩解這一問題。有機太陽能電池（OSC）是通過有效地將光能轉換為電能的一種既定方法，也是一種可選方法。基于溶液處理的有機光伏（OPV）由于其許多明顯的優勢而在科學界引起了關注，例如重量輕，轉移方便，可穿戴，柔性，半透明等。

傳統的有機太陽能電池的活性層材料，絕大部分都是采用本體異質結（BHJ）的方法，即簡單地將給體材料和受體材料混合在一起來制備，并取得了快速的發展，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結構的活性層形貌難以調控；另一方面，盡管BHJ的活性層具有更多的D/A接觸界面，但是很難控制垂直相分離，特別是在三元有機太陽能電池中，部分第三組分無法很好的兼容進去導致內部可能有一些獨立的孤島區域存在，這意味著分離的電子和空穴不能有效地傳輸到電極表面，并最終導致重組。同時，三元本體異質結結構的未知性和復雜性也給科學研究也帶來了困難。

研究成果

近日，南昌大學高分子及能源化學研究院陳義旺教授帶領的研究團隊在通過連續旋涂法制備準平面異質結高效三元有機太陽能電池方面取得了重要進展。該研究通過改進旋涂方法，優化了有機太陽能電池的垂直相分離，同時利用兩個受體材料形成合金的特性有效地減少了三元太陽能中第三組分的無序混亂分布，提高了電池的激子分離效率和電荷傳輸能力，相關研究成果以《High-performance pseudoplanar heterojunction ternary organic solar cells with nonfullerene alloyed acceptor》為題，發表于材料領域著名期刊Advanced Functional Materials。論文的第一作者為南昌大學碩士生萬繼，通訊作者為陳義旺教授。(DOI：10.1002/adfm.201909760)

該研究是基于PM6:IT-4F為主體系，通過添加近紅外小分子受體F8IC作為第三組分來拓寬光譜吸收，從而提高電池穩定性和效率。在成功制備了三元BHJ太陽能電池的基礎上，創造性地將兩個非富勒烯受體材料溶解在一起，然后逐層旋涂給體層，混合受體層制備出效率為14.2%的準平面異質結三元太陽能電池器件，這對有機太陽能電池的結構優化和材料的最大化合理利用具有重要意義。

圖文解析

在三元有機太陽能電池準平面異質結方面取得新進展

Figure 1. a) Schematic diagram of the P-ternary devices. b) Chemical structures of donor PM6 and acceptors of IT-4F and F8IC. c) Normalized electronic absorbance spectra of pristine PM6, IT-4F and F8IC films. d) Absorption spectra of binary, B-ternary and P-ternary films.

該研究所用的材料是當前十分熱門的給體材料PM6，以及小分子非富勒烯受體材料IT-4F和F8IC；通過將兩個結構相似的小分子很好地溶解在一起，極大地提高了第三組分受體材料的利用率，很好地調控了活性層中垂直組分的分布。給體材料更接近于空穴傳輸層，受體材料更接近于電子傳輸層，從而有效地減少了活性層中孤島區域的出現，同時可發現基于連續旋涂法制備的器件活性層吸收系數得到了顯著提高。

在三元有機太陽能電池準平面異質結方面取得新進展

Figure 2. a) Energy levels diagram of PM6, F8IC and IT-4F. b) V_oc dependence of IT-4F content of OSCs. c) HOMO and LUMO evolution of IT-4F:F8IC mixed materials depending on F8IC content. d) Water contact angles of PM6, IT-4F, F8IC, and IT-4F:F8IC films. e) DSC curves of the IT-4F, F8IC and IT-4F:F8IC blend at a scan rate of 10°C /min under nitrogen atmosphere. f) Grazing incidence X-ray diffraction spectra of PM6, IT-4F, F8IC and IT-4F:F8IC films.

對于兩個非富勒烯小分子溶解在一起之后所形成的受體層，該團隊進行了進一步的深入研究，結果表明這兩個結構十分相似的小分子在混合溶解之后，具有非常好的兼容性，且形成了一個新的合金受體小分子。如圖2所示，這一研究結果表明可以通過選擇合適的第三組分材料，使之與主受體形成合金，可將三元太陽能電池二元化，且更有利于制備準平面異質結結構的高效三元太陽能電池。

在三元有機太陽能電池準平面異質結方面取得新進展

Figure 3. a) GIWAXS patterns of the Binary, B-ternary and P-ternary films and b) the out-of-plane and in-plane line-cut profiles of the GIWAXS patterns.

如圖3所示，進行了掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)測試（GIWAXS were provided technical support by Ceshigo Research Service "www.tongdafittings.com “. ），以研究共混膜的分子堆積和取向。由于聚合物給體的強結晶性，二元本體異質結，三元本體異質結和三元準平面異質結膜的分子取向相似，它們都表現出顯著的face-on分子取向。基于相似的分子取向和行為，得出了體系結構的演變對分子結晶性影響不大的結論。

在三元有機太陽能電池準平面異質結方面取得新進展

Figure 4. a–c) AFM height images and d–f) phase images, g–i) TEM images of IT-4F, F8IC and IT-4F:F8IC films.

如圖4所示，單獨的小分子活性層形成了較大尺寸的相分離，不利于激子分離與電荷傳輸，而合金受體的相分離逐漸減小，形成纖維狀相分離和納米級的互穿網絡結構，抑制了激子復合，因而顯著提升了器件效率。

研究小結

本文通過巧妙且合理地選擇第三組分受體，使其與主受體融合在一起形成合金受體，調節了活性層的結晶性質，從而優化了相分離形貌。同時，該方法有利于將合金受體材料應用于連續旋涂法中來制備準平面異質結三元有機太陽能電池，獲得較高的可重復性和器件穩定性，該方法為三元有機太陽能電池活性層形貌優化開辟了新的思路。

團隊介紹

南昌大學高分子及能源化學研究院杰青獲得者陳義旺教授及其團隊，一直致力于高性能有機太陽能電池關鍵材料的研發、器件制備研究。目前主要研究方向包括：有機小分子、高分子太陽能電池關鍵材料（給體/受體/界面材料）的分子設計與合成；鈣鈦礦太陽能電池關鍵材料及結構（空穴傳輸層/電子傳輸層）的設計；有機小分子、高分子太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池器件性能及工藝優化研究；超級電容器的設計合成與研究；電催化機理的研究等等。

近年來在有機光伏領域取得一系列重要研究成果。(J. Am. Chem. Soc. 140 (6), 2054-2057 (2018), Angew. Chem. Int. Ed. 57 (17), 4580-4584 (2018), Adv. Energy Mater. 9 (18), 1900198 (1-9) (2019), Adv. Energy Mater. 8 (24), 1801214 (1-7) (2018), Adv. Mater. 29 (27), 1606656 (1-9) (2017), Adv. Mater. 28 (24), 4852-4860 (2016))

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