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《青岛能源所揭示三元有机太阳能电池中的分子相互作用新机制》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2020-10-14

  • 　三元有机太阳能电池(ternary organic solar cells, TOSCs)作为一种有效拓宽光伏响应范围的策略，在近年来得到了国内研究人员的广泛关注并取得了快速发展。这主要得益于TOSCs具有和二元器件相似的简单制备工艺以及非富勒烯受体的蓬勃发展所带来的丰富材料来源，目前基于高效非富勒烯受体Y6体系的TOSCs光伏效率已经达到18%。TOSCs具有良好的机械性能，透光性和大面积加工的可能性，在半透明、柔性等电子器件领域有着巨大的发展潜力。然而并不是所有能级匹配、吸收光谱互补的材料都可以作为客体来制备三元器件。因为相对于主体二元体系来说，第三组分（客体）的引入可能会破坏原来二元共混膜内有序的分子堆积和纳米互穿网络，进而增加复合损失，降低能量转换效率。因此，第三组分需要与主体材料具有良好的兼容性，才能确保客体的引入是作为形貌调控剂而非复合中心或者形貌陷阱。主客体之间的兼容性虽然可以通过一些测试手段来研究，然而对于第三组分的选择目前更多的是基于经验或者试错法。
      
    　　青岛能源所先进功能材料与器件研究组在TOSCs主客体相互作用的研究取得重要进展。在前期对烷基侧链-芳香末端新型侧链受体LA1的研究基础上(Adv. Mater. 2019, 1807832; Adv. Funct. Mater. 2019, 1903596; Adv. Sci. 2020, 7, 1903455)，通过调控受体的封端基团设计了结晶性更强的材料LA9。相比于结晶性适中的LA1，LA9过强的自聚集性造成二元活性层产生严重的相分离及较高的电荷复合损失，使得二元电池PM6:LA9的最高光伏效率(13.12%)要弱于PM6:LA9二元体系(13.89%)。尽管如此，LA9和LA1作为第三组分加入二元主体体系PM6:NCBDT-4Cl (PCE=13.48%)中，所构建的两组TOSCs光伏效率均有大幅提升(>15%)。相比于LA1三元器件(15.39%)，LA9三元电池具有更高的光伏效率(15.75%)，是目前非Y6三元体系的最高效率值。考虑到LA9相对于LA1具有更高的LUMO能级，因此如果排除开路电压的影响，LA9在调控三元形貌方面实际上要更加优于LA1客体。研究发现，尽管LA9具有比LA1更强的材料结晶性，然而LA9与主体给受体分子之间均具有相对较弱的分子间相互作用力。客体受体与给体之间适度的相互作用有利于给体分子更为有序的分子堆积，而客体受体与主体受体之间相对较弱的相互作用可以促使二者之间具有更高的兼容性，从而极大地优化三元体系的分子取向和纳米形貌，提高电荷传输性能，抑制复合损失，这也是LA9三元器件要更优于LA1三元器件的内在机制。相关工作在线发表在Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2020, 2007088）。相比与已报道的高效率三元器件，该工作深入研究了客体组分在三元体系内与主体给受体材料之间的相互作用，为发展高效率的三元有机太阳能电池提供了一个新的研究思路。
    　　该工作得到了国家自然科学基金委，山东省自然科学基金委，大连化物所-青岛能源所两所融合项目支持与资助。论文第一作者是博士生姜焕祥，通讯作者包西昌研究员，阳仁强教授及李永海副研究员，相关研究亦得到了上海光源杨春明研究员的大力支持。

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  • 《青岛能源所揭示有机太阳能电池中电荷传输新机制》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2021-04-11
    • 有机太阳能电池（OSCs）由于具有轻量化、柔性、可溶液法大面积制备等优点，成为光伏领域的重要研究方向，特别是2015年新型非富勒烯受体的出现，极大地推动了OSCs的发展，然而目前报道的绝大多数的高性能电池均是基于~100 nm的捕光层材料。但在面向应用的大面积器件的印刷制备中，OSCs捕光层厚度是一个绕不开的课题：首先随着膜厚的增加，捕光层内电荷的复合损失显著增加，电池效率迅速下降；其次较薄膜厚的印刷制备会对设备和工艺的要求极为苛刻。因此，发展新方法开发具有膜厚敏感低的有机光伏材料对于OSCs的印刷制备及应用具有重要意义。 　　图1 有机分子双通道堆积及厚膜器件应用 　　最近，青岛能源所先进有机功能材料与器件研究组在前期非富勒烯受体的新型侧链工程研究基础上（Adv. Mater., 2019, 31, 1807832; Adv. Funct. Mater., 2020,30, 2007088等），进一步系统研究并深入揭示了烷基侧链的影响，实现了对分子堆积、捕光层形貌及电荷传输更为精细的调控。研究发现侧链烷基碳数细微调控对共轭材料分子堆积方式展现出截然不同的影响，在侧链碳数为5时的IDIC-C5Ph受体中存在奇特的分子堆积，我们首次提出了双通道电荷传输（TCCT）概念，可实现了电荷更为高效的传输与提取。光伏性能结果表明，IDIC-C5Ph基器件最优条件下的填充因子（FF）可高达80.02%，是常规有机光伏器件中的最高值之一。考虑到TCCT特性在电荷传输及抑制复合方面的优势，IDIC-C5Ph基器件随着膜厚增加到307 nm时FF仍然高达75%，媲美大多数报道的低膜厚器件数据；进一步增加到470 nm时，FF依然大于70%，PCE达到13%。与之对比，常规单通道电荷传输的IDIC-C4Ph器件，最优膜厚105 nm时具有较高的FF（78.05%）和转换效率，但随着厚度增加FF明显降低（300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65%）。这些结果表明侧链诱导的TCCT特性赋予电池低的膜厚敏感性，对大面积电池印刷制备具有重要推动意义。 　　相关研究成果以“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics”为题目发表在The Innovation期刊上（期刊由中国科学院青年创新促进会与Cell Press共同创办的综合性英文学术期刊，领域覆盖全部自然科学，旨在向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现）。论文第一作者为李永海副研究员，通讯作者包西昌研究员、阳仁强研究员等人。该研究得到了国家自然科学基金、两所融合基金等项目的大力支持。  
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  • 《三元有机太阳能电池：效率17.22％》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-05-07
    • 近年来，三元策略在提高有机太阳能电池性能方面已展露出很大的潜力，成为有机光伏领域的研究热点。张教授课题组长期专注于三元有机光伏器件物理方面的研究，提出了研究三元体系中激子和载流子动力学的新方法、新手段，以及理解合金模型的微观机制。近期，该课题组基于PM6：Y6：MF1体系成功制备出效率为17.22%的三元器件，在中国计量科学院的验证效率为16.8%。此工作已经以Articles形式发表在Science Bulletin上。 该工作系统研究了MF1掺杂比例对三元器件光伏参数的影响。随着MF1掺杂比例的增加，器件的短路电流先升高后降低；开路电压逐渐升高；填充因子先升高后降低再升高。器件短路电流的升高主要归因于有源层光子俘获和形貌的优化。逐渐增大的开路电压表明：MF1和Y6形成了类合金态，即分子间激发态能级简并，MF1和Y6良好的兼容性是形成类合金态的前提条件。作者利用Raman mapping，接触角和GIWAXS实验证明MF1和Y6具有较好的兼容性。从其Raman mapping的图像中，能够直观地观察到MF1在有源层中的分布情况。如图1c所示，蓝色，红色和黄绿色区域分别表示混合膜中的PM6，Y6和MF1。从三元Raman mapping的图像中能够观察到大多数黄绿色斑点嵌入到红色区域，表明在三元混合薄膜中MF1更倾向于与Y6混合形成类合金态。填充因子的变化主要归因于双受体材料较好的兼容性和不同的LUMO能级。由于MF1的LUMO能级高于Y6，当MF1在受体中的比例为10wt%时，MF1和Y6上产生的电子能够沿着较低的混合LUMO能级传输。当MF1的含量增加到50wt%时，有源层中会形成大量的电子陷阱，导致器件电子迁移率和填充因子的降低。当MF1的含量为10wt%时，三元器件的效率达到最优17.22%，其短路电流为25.68mA/cm2，开路电压为0.853V，填充因子为78.61%。相较于PM6：Y6二元器件，最优三元器件的短路电流，开路电压和填充因子均得到了提升。该工作表明第三组分的作用除了增强有源层光子俘获外，还可优化激子的分布，给受体材料的相分离程度和分子排布方式，形成类合金态调控能级位置，进而同时提高器件的短路电流，开路电压和填充因子。该工作进一步证明：三元策略是一种有效提高器件性能的方法。
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