近期,北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院孫艷明教授和上海交通大學(xué)劉烽教授合作,在Nature Communications上發(fā)表題為“Optimized active layer morphology toward efficient and polymer batch insensitive organic solar cells”的研究論文,報(bào)道了一種對(duì)聚合物批次不敏感的高性能有機(jī)太陽能電池的制備方法。
有機(jī)太陽能電池由于輕質(zhì)、半透明、可溶液加工等優(yōu)點(diǎn)受到了科研界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。調(diào)控活性層形貌使其形成理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是制備高性能有機(jī)太陽能電池的關(guān)鍵。而在活性層的成膜過程中,成膜動(dòng)力學(xué)影響著薄膜的最終形貌。混合溶液旋涂法是實(shí)驗(yàn)室制備太陽能電池活性層的最常用方法,其成膜速度快;與旋涂法相比,工業(yè)印刷法成膜速度相對(duì)較慢。在不同時(shí)間尺度內(nèi),給受體材料的結(jié)晶和相分離行為不同,因此,如何有效調(diào)控不同成膜條件下的活性層形貌是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
圖1:(a) PT2與Y6的分子式; (b) 逐層沉積法制備流程示意圖;(c) 逐層沉積法(SD)與旋涂法(BC)制備的有機(jī)太陽能J-V特性曲線; (d) 縫模印刷法制備的大面積有機(jī)太陽能J-V特性曲線;(d)基于批次PT2的SD和BC有機(jī)太陽能的J-V特性曲線。
在本研究中,作者結(jié)合他們前期提出的“纖維網(wǎng)絡(luò)策略(FNS)”與逐層沉積法(SD),實(shí)現(xiàn)了對(duì)活性層形貌的有效控制,成功制備了大面積且對(duì)聚合物批次不敏感的高效率有機(jī)太陽能電池。PT2給體聚合物先形成纖維網(wǎng)絡(luò)薄膜,然后Y6受體小分子擴(kuò)散到到纖維網(wǎng)絡(luò)中,從而形成理想的給受體互穿網(wǎng)絡(luò)形貌。逐層沉積法制備的有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)16.5%(中國計(jì)量院認(rèn)證效率為16.1%)。作者利用狹縫涂布法制備了大面積SD器件,當(dāng)器件有效面積為0.8 cm2時(shí),光電轉(zhuǎn)換效率為14.6%。此外,作者發(fā)現(xiàn)相比較于直接旋涂法,F(xiàn)NS-SD方法提高了PT2聚合物的結(jié)晶性,減弱了PT2和Y6間相互作用,可以更有效調(diào)控活性層形貌,且形貌對(duì)聚合物批次不敏感,基于不同聚合物批次的有機(jī)
光伏器件效率均高于16%。
FNS-SD方法制備的太陽能電池器件對(duì)聚合物批次呈現(xiàn)出較高的耐受性,從而解決了有機(jī)太陽能電池中聚合物存在的批次性差異難題。這一策略為有機(jī)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化提供了重要技術(shù)支撐。
原標(biāo)題:對(duì)聚合物批次不敏感的高性能有機(jī)太陽能電池| Nature Communications