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AEM.侯劍輝團(tuán)隊(duì):免后處理OPV高達(dá)19%轉(zhuǎn)換效率

更新時(shí)間:2024-11-26      點(diǎn)擊次數(shù):342

有機(jī)太陽能電池(OPV)因其可調(diào)節(jié)的光吸收特性、輕便、柔性及在多種照明條件下的優(yōu)異表現(xiàn),逐漸成為光伏領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。隨著材料設(shè)計(jì)與制備技術(shù)的進(jìn)步,OPV的光伏性能顯著提升,推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。然而,高效OPV電池的制備常需復(fù)雜的后處理工藝,如退火與添加劑使用,這不僅增加了生產(chǎn)成本,還限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)高效且免后處理的制備策略,形態(tài)調(diào)控技術(shù)的開發(fā)成為關(guān)鍵。

在此背景下,本研究突破性地設(shè)計(jì)并合成了新型融合非富勒烯受體GS-20,并將其作為第三組分引入PBQx-TF基有機(jī)太陽能電池中。此創(chuàng)新設(shè)計(jì)使三元電池在無需任何后處理的情況下,達(dá)到了19.0%的高功率轉(zhuǎn)換效率(PCE),成為目前已報(bào)導(dǎo)的免后處理OPV電池中性能最高的之一。GS-20的引入加速了薄膜沉積過程并促進(jìn)了eC9-2Cl的分子聚集,改善了分子堆棧結(jié)構(gòu),從而提高了電荷傳輸效率及熱穩(wěn)定性。


研究成就與看點(diǎn):


一、研究團(tuán)隊(duì):

本研究由中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯劍輝教授團(tuán)隊(duì)完成。


二、研究背景

有機(jī)太陽能電池 (OPV) 因其可調(diào)節(jié)的光吸收、輕量化和柔性等特性,在多種照明條件下展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

隨著有機(jī)半導(dǎo)體材料和制備方法的發(fā)展,OPV電池的光伏性能得到了顯著提升,吸引了大量關(guān)注和致力于OPV產(chǎn)業(yè)化的研究。

OPV電池的性能與許多電學(xué)過程相關(guān),包括激子解離、電荷傳輸和復(fù)合,所有這些都受到活性層內(nèi)分子聚集和相分離的影響。

因此,形態(tài)調(diào)控對(duì)于在制造過程中獲得高效OPV電池至關(guān)重要。然而,由于聚集結(jié)構(gòu)主要由薄膜沉積過程中的材料結(jié)構(gòu)和加工條件決定,因此需要大量投資來開發(fā)有效且通用的形態(tài)調(diào)控策略。

目前,已經(jīng)建立了多種形態(tài)調(diào)控策略,包括退火、選擇加工溶劑和添加劑、以及三元策略等。目前,添加劑和退火的組合是調(diào)節(jié)OPV電池中聚集結(jié)構(gòu)和相分離廣泛使用的方法。

例如,揮發(fā)性固體添加劑已被成功開發(fā)用于調(diào)節(jié)活性層的聚集結(jié)構(gòu),使二元電池的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 超過19%。另一方面,三元策略被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的OPV電池中,以將PCE提升至約20%。

第三組分的引入可以通過選擇性地與供體或受體相互作用來調(diào)節(jié)相分離、結(jié)晶度和分子堆棧,促進(jìn)電荷解離和傳輸,從而提高開路電壓 (VOC) 和填充因子 (FF)。Xie等人將第三組分Qx-5Cl引入PBDB-TF:BTP-eC9共混物中以調(diào)節(jié)結(jié)晶動(dòng)力學(xué),實(shí)現(xiàn)了19.8%PCE。Jiang等人報(bào)導(dǎo)了一種基于D18:Z8:L8-BO的三元OPV電池,其PCE達(dá)到20.2%。

盡管取得了這些顯著的成就,但對(duì)于三元薄膜的形態(tài)調(diào)節(jié),仍然需要額外的后處理,例如退火和使用添加劑。對(duì)于OPV電池的產(chǎn)業(yè)化而言,后處理需要復(fù)雜的制造工藝以及設(shè)備和時(shí)間的高成本投入,這對(duì)于工業(yè)制造來說是多樣化的。因此,有效且簡(jiǎn)單的形態(tài)調(diào)控仍然是實(shí)現(xiàn)高效免后處理OPV電池產(chǎn)業(yè)化面臨的諸多挑戰(zhàn)。


三、解決方案

為了解決上述問題,本研究設(shè)計(jì)合成了一種新型融合非富勒烯受體GS-20。GS-20由于其高度平面的共軛骨架,表現(xiàn)出強(qiáng)結(jié)晶性和聚集特性。研究團(tuán)隊(duì)將GS-20作為第三組分引入到高效的PBQx-TF:eC9-2Cl二元體系中,制備了三元OPV電池。

GS-20eC9-2Cl的兼容性高于與PBQx-TF的兼容性,使其能夠誘導(dǎo)分子間聚集。在成膜動(dòng)力學(xué)方面,PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20的三元共混物表現(xiàn)出加速的薄膜沉積過程和快速的分子聚集。

值得注意的是,與流延二元薄膜相比,三元薄膜在沒有任何后處理的情況下,顯示出增強(qiáng)的分子堆棧和有序性以及光滑的薄膜表面,這有利于減少非輻射能量損失和改善電荷傳輸。

因此,三元OPV電池在不使用任何添加劑和退火的情況下,實(shí)現(xiàn)了19.0%的高PCE,這對(duì)于免后處理OPV電池來說是目前先進(jìn)的性能。

此外,這種三元策略對(duì)于大面積模塊的制備是可行的。使用刮涂法成功制備了免后處理OPV模塊 (23.6 cm2),實(shí)現(xiàn)了13.5%PCE


四、實(shí)驗(yàn)過程與步驟

材料制備:


五、研究過程成果表征

此研究采用分子設(shè)計(jì)和三元策略來實(shí)現(xiàn)高效且無需后處理的有機(jī)光伏 (OPV) 電池。具體研究方法包含以下幾個(gè)方面:

1. 分子設(shè)計(jì)與合成:

設(shè)計(jì)并合成了一種名為 GS-20 的新型非富勒烯受體材料。123 GS-20 具有稠合的共軛骨架,賦予其強(qiáng)結(jié)晶性和聚集特性。相關(guān)的核磁共振氫譜(1H-NMR)和基質(zhì)輔助雷射脫附游離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF)數(shù)據(jù)也一并提供以驗(yàn)證化合物的結(jié)構(gòu)。

2. 材料表征:

光學(xué)性質(zhì): 測(cè)量了 PBQx-TFeC9-2Cl GS-20 的紫外-可見吸收光譜和光致發(fā)光光譜,以研究它們的光吸收和發(fā)光特性。也利用循環(huán)伏安法 (CV) 測(cè)量了 GS-20 的最高占據(jù)分子軌道 (HOMO) 和低未占分子軌道 (LUMO) 能級(jí)。

聚集特性與形貌: 使用接觸角測(cè)量和 Flory-Huggins 參數(shù) (χ) 來評(píng)估材料的混溶性。并利用掠入射廣角 X 射線散射 (GIWAXS) 技術(shù)研究了 GS-20、eC9-2Cl 及其共混物的結(jié)晶度和分子堆棧。同時(shí),使用原子力顯微鏡 (AFM) 表征了共混薄膜的形貌和表面粗糙度。

3. 薄膜制備與器件組裝:

采用旋涂法制備了不同組成的活性層薄膜,包括二元共混物 (PBQx-TF:eC9-2Cl PBQx-TF:GS-20) 和三元共混物 (PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20)。對(duì)于需要后處理的二元電池,在旋涂活性層之前,將 0.5 vol% 1,8-二碘辛烷 (DIO) 添加到溶液中。制備好的活性層薄膜隨后進(jìn)行熱退火處理。完整的器件結(jié)構(gòu)為 ITO/PEDOT:PSS/活性層/NDI-Ph/Ag。

此外,使用刮刀涂布法制備了大面積的三元 OPV 模塊,器件結(jié)構(gòu)為 ITO/ZnO/PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20/MoO3/Al

4. 器件性能測(cè)試與分析:

本研究采用了多種表征手段來分析材料的性質(zhì)和器件的性能,包括光譜分析、形貌表征和器件性能測(cè)試等。


器件性能表征


其他表征


5. 模塊制備與性能測(cè)試: 制備了大面積的 OPV 模塊,并測(cè)量了其 I-V 曲線和 PCE,以驗(yàn)證該三元策略在大面積器件制備中的可行性。

此研究通過分子設(shè)計(jì)、材料合成、薄膜制備、器件組裝和性能測(cè)試等一系列方法,系統(tǒng)地研究了 GS-20 作為第三組分在提高 OPV 電池性能方面的作用,并成功制備了高效且無需后處理的 OPV


六、研究成果

本研究成功設(shè)計(jì)合成了一種新型融合非富勒烯受體GS-20,并將其作為第三組分引入到PBQx-TF:eC9-2Cl基有機(jī)太陽能電池中,制備了高效的免后處理有機(jī)太陽能電池。

該三元電池?zé)o需任何后處理,即可獲得19.0%的高PCE,是目前已報(bào)導(dǎo)的免后處理有機(jī)太陽能電池中的高效率之一 GS-20的引入加速了薄膜沉積過程,促進(jìn)了eC9-2Cl的分子聚集,并改善了分子堆棧,從而提高了器件的VocFF。

此外,該三元策略也適用于大面積模塊的制備,使用刮涂法制備的免后處理有機(jī)太陽能模塊 (23.6 cm2) 獲得了13.5%PCE。

免后處理有機(jī)太陽能電池的研發(fā)與性能

研究人員設(shè)計(jì)合成了一種新型非富勒烯受體GS-20,并探討其作為第三組分添加到PBQx-TF:eC9-2Cl基有機(jī)太陽能電池中的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,添加GS-20的三元電池在未經(jīng)任何后處理的情況下,光電轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 即可達(dá)到19.0%,是目前已報(bào)導(dǎo)的免后處理有機(jī)太陽能電池中的高效率之一。


GS-20的設(shè)計(jì)與合成

GS-20具有融合的共軛骨架,具有高平面性,賦予其強(qiáng)結(jié)晶性和聚集特性。 GS-20的合成路線如圖S1所示。

GS-20對(duì)薄膜形成動(dòng)力學(xué)的影響

通過原位紫外-可見吸收光譜測(cè)量研究了GS-20對(duì)薄膜形成動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果表明,GS-20的加入加速了薄膜沉積過程,縮短了薄膜形成時(shí)間。

GS-20對(duì)薄膜形貌的影響

GS-20對(duì)器件性能的影響

免后處理有機(jī)太陽能模塊的制備

使用刮涂法制備了基于PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20三元共混體系的免后處理有機(jī)太陽能模塊,其有效面積為23.6 cm2,獲得了13.5%PCE,證明了該三元策略在大面積器件制備中的可行性。

本研究通過分子設(shè)計(jì)和三元策略實(shí)現(xiàn)了一種高效的免后處理有機(jī)太陽能電池,為有機(jī)太陽能電池的工業(yè)化生產(chǎn)提供了新的思路。


文獻(xiàn)參考自Advanced Energy Material_DOI: 10.1002/aenm.202404482

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