ACS Energy Lett.：LBL技术助力制备效率> 17%的高性能聚合物太阳能电池

【研究背景】

聚合物太阳能电池（PSCs）由于其独特的优势，如通过高通量滚轧（R2R）工艺实现低成本生产、机械柔性、重量轻等，近年来受到了广泛关注。一直以来，研究人员利用电子给体和受体的共混物溶液通过旋涂的方式得到体异质结（BHJ）光活性层，基于这种类型活性层的PSCs被称为BHJ聚合物太阳能电池。得益于新型光伏材料、巧妙的光活性层形貌控制和高效电极界面材料等共同努力，BHJ PSCs最近已达到16%-18%的能量转换效率(PCEs)。虽然BHJ-PSCs已经取得了很大的成功，但一步法溶液加工工艺并不是制备高效PSCs的理想方法，因为（i）BHJ形貌的形成是一个极其复杂的过程，（ii）光伏活性层的BHJ形貌强烈依赖于混合溶液的状态，（iii）组分的垂直分布很难精确控制，（iv）在混合溶液的凝固过程中，给体和受体的结晶不可避免地相互干扰。

【成果简介】

近日，华南师范大学蔡跃鹏教授、刘升建教授等人将逐层加工法（LBL）用于制造高效的聚合物太阳能电池。结果表明，通过使用溶剂添加剂1,8-二碘辛烷（DIO）可以很好地调节垂直组成分布。DIO诱导的良好的垂直成分分布（中子反射，Neutron Reflectivity, NR）与改善的结晶度(略入射广角X射线散射，Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering, GIWAXS)共同作用，有助于获得有效的激子解离、电荷运输和抽取、有限的电荷复合损失。最终得到优化的LBL器件的效率为16.5％，高于作为参照的体异质结太阳能电池的15.8％的效率。重要的是，研究人员进一步设计了PM6/Y6:PC₇₁BM LBL活性层，得到效率超过17％双层三元太阳能电池，这是迄今为止报道的LBL太阳能器件的最高效率。这些发现表明，溶剂添加剂辅助的LBL溶液加工工艺对太阳能电池的进一步优化具有更广泛的意义。该文章近日以题为“Vertical Composition Distribution and Crystallinity Regulations Enable High-Performance Polymer Solar Cells with >17% Efficiency”发表在知名期刊ACS Energy Lett.上。

【图文导读】

图一、给体受体结构及LBL示意图

（a）给体PM6以及受体Y6的化学结构式。

（b）LBL加工方法示意图。

图二、材料性能参数图

（a）这项工作中使用的材料的能级排布。

（b）PM6，Y6，LBL PM6/Y6和BHJ PM6：Y6的归一化UV-vis吸收光谱。

图三、光伏性能

（a）用DIO的不同体积比处理的LBL太阳能设备的J-V曲线。

（b）LBL太阳能电池的优值与DIO体积比的关系图。

图四、LBL膜的垂直分布

（a）中子反射率分布图，反射率实验数据显示为单个点，模型拟合以直线表示，以及无DIO和有DIO的LBL薄膜的SLD与厚度的对应模型。

（b）Y6体积比作为归一化厚度剖面的函数。

图五、活性层垂直分布演化示意图

有无DIO时LBL光活性层中垂直成分分布演化示意图。

图六、活性层GIWAXS表征

（a-c）2D GIWAX图像和（d-f）具有不同DIO含量的LBL活性层的平面内和平面外线切割：（a，d） 0 vol% DIO，（b，e）0.5 vol% DIO，（c，f）1 vol% DIO。

图七、空间电荷限制电流(SCLC)测量

（a）通过SCLC测量确定的空穴和电子迁移率的直方图。实色栏为单空穴的数据，图案化的线条为单电子的数据。

（b）LBL器件的光电流密度（J_ph）与内部电压（V_int）的关系。

图八、基于LBL的三元太阳能电池

（a）优化的三元LBL和BHJ太阳能器件（ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINO/Ag）的J-V曲线。

（b）LBL和BHJ太阳能设备在氮气气氛中的稳定性测试。

【结论展望】

综上所述，作者发现LBL溶液加工技术可以制备出高效的太阳能电池，二元和三元LBL太阳能电池的PCE值分别达到16.5%和17.0%。通过系统的有机太阳性能表征发现，LBL溶液工艺参数—溶剂添加剂DIO—对电池的光伏性能有显著影响。特别是太阳能电池的填充因子（FF）从无添加剂器件的≈65%提高到使用0.5 vol% DIO优化器件的≈77%。对NR数据的详细分析表明，在溶剂添加剂DIO的帮助下，LBL活性层可以同时获得较大的给体/受体界面、较厚的互扩散区、阳极附近的给体聚集层和阴极附近的受体聚集层。2D-GIWAXS分析表明，在优化后的LBL活性层（0.5vol%）中，DIO可以改善其结晶度和主链的“面向”取向。与BHJ太阳能电池相比，LBL太阳能电池具有优越的光电性能和长期的器件稳定性，这表明LBL溶液加工技术是一种潜在的器件制造技术，可以用来生产更高效的聚合物太阳能电池。该论文进一步强调了调整互扩散层（垂直分量分布）对提高LBL太阳能电池效率的重要性。

文献链接：Vertical Composition Distribution and Crystallinity Regulations Enable High-Performance Polymer Solar Cells with >17% Efficiency (ACS Energy Lett., 2020, 5, 3637-3646)

本文由大兵哥供稿。

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