Advanced Materials: 刀片刮涂非乌拉尔林有机太阳能电池在空气中具有优良的形态、效率和稳定性

【引言】

体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSCs)以其重量轻、溶液处理能力强、与柔性衬底相容性好、卷对卷加工等突出优点而备受关注。近几十年来，人们对材料合成和器件结构工程进行了广泛的研究，取得了巨大的进展。近年来，富勒烯衍生物受体以其优异的光吸收性能、良好的稳定性、易调节的化学结构和低成本的制备工艺，在OSCs领域显示出广阔的应用前景。与富勒烯类器件的最高功率转换效率(PCE)为11.7%相比，非乌拉尔烯OSCs已经显示出单结器件的PCE为13.1%，串联器件的PCE为14.9%，接近商业应用价值。

【成果简介】

近日。来自西安交通大学马伟教授（通讯作者）在Advanced Materials发表文章，题为：Blade‐Cast Nonfullerene Organic Solar Cells in Air with Excellent Morphology, Efficiency, and Stability。研究人员采用刮涂法，在非尤勒雷有机太阳能电池中获得了10.03 %的平均功率转换效率( PCE )，高于最佳旋涂器件( PCE为9.41 % )。结果表明，刀片涂层可以诱导共轭聚合物供体和小分子受体产生更高程度的分子堆积，因为它有助于产生含有大量晶粒的晶种膜，随后当刀片的运动暴露于液体前沿时，为残余溶液提供成核位点。由于这种效应，刀片涂层可以部分替代添加剂1，8-二碘辛烷( DIO )的作用，从而以较少的添加剂获得优化的形貌。此外，与1 % DIO的旋涂膜相比，0.25 % DIO的旋涂膜不仅具有更小的分布尺寸，而且具有更高的分布纯度，表明其具有更高的D/A界面和更纯的相畴。令人鼓舞的是，DIO含量较低(0.25 %)的旋涂期间比DIO含量为1 %的旋涂装置具有更好的稳定性，具有良好的应用前景。

【图文导读】

图1. 材料结构和光谱分析

a)旋涂和刮涂示意图；

b) PBDB‐T和ITIC的化学结构；

c)紫外-可见吸收光谱；

d )通过旋涂或刮涂制备的PBDB-T和ITIC膜的GIWAXS图；

图2. 性能分析

PBDB - T : ITIC器件的j-V曲线，制备方法为: a )旋涂和b )不同添加剂含量的刮涂；

c ) EQE曲线；

d ) Jph-Veff曲线；

e )短路电流密度的依赖性；

f )对于分别具有1 % DIO的旋涂和具有0.25 % DIO的刮刀涂层，开路电压对光强的依赖性；

图3. 结构分析

a–h ) GIWAXS 2D散射图案；

I )通过旋涂或刮涂制备的具有不同添加剂含量的PBDB-T:ITIC共混膜的线图；

图4. RSoXS图谱

用旋涂法或刮涂法制备的不同添加剂含量的PBDB‐T:ITIC共混膜的RSoXS图谱；

图5. 含1 % DIO的旋涂器件和含0.25 % DIO的刀片涂覆器件的归一化光伏参数

a )在无封装的环境中在连续AM 1.5G太阳照射下作为照射时间的函数；

b )在氮气氛中作为时间的函数；

【总结】

综上所述，研究人员采用旋涂法和刮涂法制备了空气中不同DIO含量的PBDB-T:ITIC器件。当DIO含量为0.25 %时，刀片涂层器件的PCE最高可达10.03 %，高于DIO含量为1 %时的最佳旋涂器件。刀片涂层被证明对供体和受体都有诱导较高程度的分子堆积，因为当刀片的运动暴露液体前沿时，它有助于先产生含有大量晶粒的晶种膜，并且这些晶体为残余溶液提供成核位点，随后沿着剪切方向传播。因此，DIO的部分作用可以由刀片涂覆技术代替。研究还发现，共混膜的相分离比旋涂膜对添加剂的变化更敏感。与1 % DIO的旋涂膜相比，0.25 % DIO的旋涂膜不仅具有较小的分布尺寸，而且具有较高的分布纯度。结果表明，DIO含量较低的刀片涂层器件比旋涂器件具有更好的稳定性，这是因为在环境光照条件下，残余DIO分解为碘辛烷和碘自由基的程度较低，且形貌演化较慢，供体和受体分子的扩散能力较低。

文献链接：Blade‐Cast Nonfullerene Organic Solar Cells in Air with Excellent Morphology, Efficiency, and Stability，(Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201800343)

本文由材料人新能源学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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