Volume 3 Issue 4 will be published on Jul 12, 2022.   A Cell Press partner journal
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双通道电荷传输:光伏转换新途径

“条条大路通罗马”——分子堆积对电荷传输至关重要。本工作通过侧链精细调控,首次在受体材料中发现了可高效电荷传输的双通道堆积。利用这一特性制备的有机太阳能电池(膜厚~100 nm)的填充因子高达80%(常规器件~70%)。即使电池器件的膜厚在~500 nm时,依然保持高的光电转换效率(~13%);这对印刷有机太阳能电池的研究有重要指导意义。


有机太阳能电池(OSCs)因其柔性、质轻及可溶液法大面积制备等优点受到广泛关注。2015年以来新型非富勒烯受体的出现极大地推动了OSCs的发展。而绝大多数的高性能电池均是基于~100 nm厚的活性层。在面向应用的厚膜器件中,活性层增厚会导致严重地电荷复合损失,显著降低OSCs的填充因子和效率。本工作中,通过对受体的侧链进行微调控,改变了分子堆积方式,诱导产生了独特的双通道电荷传输TCCT),提高了厚膜OSCs的电荷传输效率和光伏性能。

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图1 图文摘要

作者基于其在非富勒烯受体新型侧链研究的基础上(Adv. Mater. 2019),进一步对烷基碳数(x=4,5,6)进行微调控(图2),以优化分子堆积和本体异质结(BHJ)形貌。研究发现,x=5和x=6时材料结晶性降低,造成吸收光谱蓝移。意外的是,IDIC-C5Ph具有最弱的薄膜结晶性和最宽的光学带隙。


图2 材料侧链调控与基本性质

尽管如此,单晶X射线衍射分析发现x=5时IDIC-C5Ph有区别于另外两个侧链截然不同的分子堆积方式。其诱导分子共轭主骨架产生两种正交的分子取向,分子排列呈现独特的网络结构,具有更多的π-π作用位点,可望实现高效的双通道电荷传输(TCCT)。

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图3 单晶中分子堆积方式(烷基链隐藏)

针对x=5时IDIC-C5Ph材料展现出的弱薄膜态结晶性,科研人员通过多种后处理方式(热退火TA、热辅助溶剂退火TA-SVA)增强薄膜的结晶性。通过掠入射广角X-射线衍射(GIWAXS)发现三种材料对后处理方式具有不同的响应。对于IDIC-C5Ph而言,TA-SVA极大地增强了薄膜结晶性,诱导薄膜形成大量微晶(图4),吸收光谱红移。TA-SVA优化后基于IDIC-C5Ph的活性层中π-π堆积强度更高且堆积距离更小,有利于分子间电荷高效传输。

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图4 不同处理后的薄膜GIWAXS图

光伏性能结果表明IDIC-C5Ph器件经TA-SVA处理后,填充因子(FF)高达80.02%,器件转换效率(PCE)达到14.56%。高达80%的FF也是常规OSCs器件中的最高值之一,反应了活性层内部良好的激子分离/电荷传输性能以及低的复合损失,大幅提高的FF归功于活性层内形成了具有TCCT的受体纳米晶。

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图5 光伏性能

(A-C) J-V曲线;(D-F) FF值统计图;(G-I) EQE曲线。

考虑到TCCT特性在电荷传输及抑制复合方面的优势,构建了不同活性层厚度的系列光伏器件(图6)。常规单通道电荷传输IDIC-C4Ph器件,在膜厚105 nm时具有较高的FF(78.05%)和PCE,随着厚度增加,FF降低明显(300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65.26%)。但厚膜OSCs的FF和PCE仍然高于此前绝大多数报道的数据,反应了此类侧链结构(烷基侧链-芳香末端)在调控BHJ形貌方面的优势。更有意思的是,对于IDIC-C5Ph器件而言,在低膜厚115 nm时FF高达80.02%,随着膜厚增加,在307 nm时FF仍然高达75%,媲美大多数报道的低膜厚器件数据。在高达470 nm时,FF依然大于70%,PCE达到13%,体现了TCCT特性在厚膜OSCs研究中的优势

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图6 厚膜OSCs性能及对比研究



总结和展望

通过微调烷基碳数及合理的后处理,在受体材料中诱导形成了独特的双通道电荷传输(TCCT)特性。TCCT分子堆积可以更高效地传输电荷,并抑制电荷传输过程中的双分子消耗,提高OSCs的FF以及光电流,并在厚膜OSCs中展现出良好的应用前景。


原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00015-1




作者简介


包西昌,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员,课题组长,中国科学院青年创新促进会2016年会员。研究方向主要包括光电材料与器件,纳米功能材料等。



李永海,2014年博士毕业于中国科学院化学研究所张德清课题组。现为中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员,“清源学者”青年人才,2021年入选中国科学院青年创新促进会会员。主要研究领域为有机太阳能电池。

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