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我院陈义旺/谈利承教授团队在《Energy Environ. Sci.》上发表最新研究成果

作者:admin  来源:本站原创  添加日期:2025-01-02

Energy Environ. Sci.:调控电荷迁移和液体流动动力学使刮涂准平面异质结有机太阳电池效率超过了19%DOI: 10.1039/ D4EE01522C

顺序沉积工艺植被的准平面异质结(PPHJ)有机太阳能电池(OSCs)因其与大面积叶片涂层(BC)的良好相容性以及实现规模化高通量制造的潜力而受到广泛关注。与体异质结(BHJ) OSCs相比,将给体(D)和受体(A)分别作为两个分离的处理步骤进行顺序沉积,可以控制D/A的组成梯度并优化垂直相分布,提供足够的激子解离界面和载流子传输通道,从而使PPHJOSCs的功率转换效率(PCE)超过19%。此外,垂直的D/A分布有效地促进了电荷的产生,同时抑制了电荷的重组,从而获得了良好的短电流密度(JSC)和填充因子(FF)。然而,由于D/A的溶解度相似,很难找到一对合适的正交溶剂来有效抑制受体溶液对施主膜的侵蚀,从而导致给体膜的均匀性被破坏。给体将与受体重新溶解形成类似BHJ的结构,这将增加D/A界面。然而,过多的D/A接口会导致电荷复合中心的增加,最终导致膜的均匀性被破坏。这反过来又会抑制电荷的解离和传输过程。虽然加入第三组分和添加剂等一系列策略已被广泛用于通过提高供体结晶度来减少活性层的侵蚀,但在PPHJOSCs中,如何精确调整D/A互穿性以构建理想的垂直梯度分布和规则的电荷传输通道仍然是一个挑战。

因此,为了有效地控制活性层形貌并应用于大面积生产,陈义旺教授团队提出了一种新的电荷迁移策略,通过首次将顺序刮涂工艺(SBC)与纳米压印(NIL)技术相结合,有效地设计PPHJOSCs的活性层垂直形貌,该策略不仅可以构建定向载流子传输通道以改善电荷传输/收集,还可以调节液体流动以改善相分离行为。在刮涂给体PM6后,对其进行NIL处理,不仅可以诱导聚合物链的有序排列,还可以产生规则的周期性图案。然后,图案会影响叶片涂层过程中受体(BO-4ClBO-4Cl:L8-BO)溶液的流动,有助于受体的填充,增加激子解离界面,形成规则的电荷输运通道。他们系统地研究了三种不同微图案处理的PM6薄膜在涂布过程中对受体油墨流动的影响,以及对电荷迁移和垂直相分离形态的影响。结果表明,G1图案的二元PPHJOSCs (PM6/BO-4Cl)和三元PPHJOSCs (PM6/BO-4Cl:L8-BO)PCE分别为18.47%19.14%,是SBC法制备的PPHJOSCs中最高的PCE。这一结果显示了NIL在减小刮涂工艺与旋涂工艺之间的效率差异方面的潜力。此外,相应的1.00 cm2器件的PCE分别为17.52%17.98%。值得注意的是,G1图案压印的器件表现出优异的稳定性,在85°C加热800 h后保持86%的初始PCE,在N2气氛中进行500 h以上的最大功率点(MPP)测试后保持85%的初始PCE。上述结果表明,在PPHJOSCs中,采用合适图案的NIL辅助SBC电荷迁移策略可以优化活性层的垂直梯度分布,通过调控液体流动来控制载流子的分离/传输,从而实现优越的器件性能。

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[三审三校:邓泽阳 蒋平 袁凯]


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