王濤團隊AEM: 冷老化和溶劑蒸汽處理控制有機太陽能電池聚集體形態

1。前言

有機太陽能電池（OSCs）作為新一代光伏技術，憑藉其低成本、機械靈活性、輕質性的眾多優點而受到廣泛關注。近年來，新型聚合物給體和非富勒烯受體（NFAs）的出現使OSCs的光電轉換效率（PCE）超過18%。除了光伏材料和器件結構的固有光電特性，光活性層內的奈米級形態，包括分子水平的分子堆積和奈米級的分子聚集，是最佳化器件效能的關鍵因素。眾所周知，溶液中有機半導體的預聚集體對其在固體薄膜中的形態有著深遠的影響，各種方法包括溶劑的調節、溶劑新增劑、溫度和分子結構都被證明可以控制預聚集行為。例如，新增劑可在溶液中誘導聚合物有序聚集，然後在溶液澆鑄過程中作為聚合物結晶的核，產生許多具有鋸齒狀介面的小聚合物疇，從而增強採光和電荷分離。共溶劑可以用於誘導聚合物聚集，防止富勒烯大疇的形成，並抑制液-液相分離，最終獲得高效能。此外，透過溫度控制操縱預聚集也是一種簡便且低成本的方法。

圖1：相關分子結構與聚集體模擬形態

2。簡介

與先前在室溫至100°C以上溫度範圍內調節聚集行為的工作不同，近日，武漢理工大學王濤教授研究團隊創新性地引入了低溫（低於室溫）老化誘導聚集方法，透過調節聚合物給體PM6在溶液中的預聚集狀態，進一步改善其與四種不同NFAs（Y6-BO、N3、IT-4F和PTIC）的固體共混膜形態，最終提高相應OSCs器件的效率。透過約273K的低溫下，PM6的預聚集在超12小時內透過無序到有序的轉變從而進一步增強。研究發現，經過冷老化處理後，PM6分子在純膜和共混膜中形成緻密和精細的聚集體，有助於形成具有增強和平衡電荷遷移率的連續網路。

圖2：相關器件的光伏效能

研究結果顯示，在四種PM6：NFA OSCs中都觀察到了增強的PCE，主要是填充因子（FF）得到了大大的改進。其中，基於PM6：Y6-BO器件的FF為76。9%，短路電流密度（JSC）為27。4 mA cm-2，開路電壓（VOC）為0。84 V，最終PCE為17。7%。然而，透過在存在溶劑蒸汽的情況下澆鑄冷老化溶液以微調聚集，可以進一步最佳化器件效能，從而獲得了18。0%的最高PCE，這是目前文獻中報道的PM6：Y6-BO OSCs的最高PCE。

圖3：冷老化處理前後的器件形態

3。總結

綜上，這項工作透過在溶液澆鑄前和過程中控制共混物聚集形態，從而進一步最佳化OSCs器件效能，同時也為後續的實驗提供了重要指導。相關研究成果現已發表在能源類國際頂級期刊《Advanced Energy Materials》上，題為“Cold-Aging and Solvent Vapor Mediated Aggregation Control toward 18% Efficiency Binary Organic Solar Cells”。本文關鍵詞：有機太陽能電池，聚合物給體，聚集行為，冷老化處理，PM6，Y6-BO。4。材料