中科院青島能源所The Innovation：側鏈微調控誘導雙通道電荷傳輸實現高效厚膜有機太陽能電池
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2021-02-24 08:12:30
在~100 nm厚的活性層中，光子激子解離后可以高效地傳輸到給受體界面并被收集，而在厚膜器件中，電荷傳輸過程中會發生嚴重的復合損失，從而嚴重降低OSCs的填充因子FF和最終效率。因此，如何改善厚膜BHJ中電荷傳輸是一個亟待解決的科學問題。
有機太陽能電池（OSCs）由于具有輕量化、柔性、可溶液法大面積制備等優點，成為光伏領域的重要研究方向之一，特別是2015年以來新型小分子非富勒烯受體的出現極大地推動了OSCs的發展。然而目前報道的絕大多數的高性能電池均是基于~100 nm厚的活性層，對于面向應用的高性能厚膜器件報道較少。決定OSCs光伏效率的核心組件是電子給受體材料共混而成的本體異質結（BHJ）活性層，電池內部的光生激子生成與遷移、激子解離、電荷傳輸與復合等關鍵物理過程均依托于BHJ進行。在~100 nm厚的活性層中，光子激子解離后可以高效地傳輸到給受體界面并被收集，而在厚膜器件中，電荷傳輸過程中會發生嚴重的復合損失，從而嚴重降低OSCs的填充因子FF和最終效率。因此，如何改善厚膜BHJ中電荷傳輸是一個亟待解決的科學問題。最近，中科院青島能源所-包西昌研究員和李永海副研究員團隊基于其前期開發的柔性側鏈-位阻末端基礎上，進一步對柔性烷基碳數進行微調控，以優化分子堆積和本體異質結形貌（圖1）。研究發現，x=5和x=6時材料結晶性降低，造成吸收光譜藍移。意外的是，中間烷基碳數的IDIC-C5Ph具有最弱的薄膜結晶性和最寬的光學帶隙。盡管如此，單晶X射線衍射分析發現x=5時材料有區別于另外兩個側鏈截然不同的分子堆積方式。其誘導分子共軛主骨架產生兩種正交的分子取向，分子排列呈現獨特的網絡結構，具有更多的π-π作用位點，可望實現高效的雙通道電荷傳輸（TCCT）（圖2）。針對x=5時IDIC-C5Ph材料展示出的弱薄膜態結晶性，科研人員通過多種后處理方式（熱退火TA、熱輔助溶劑退火TA-SVA）增強薄膜的結晶性（圖3）。通過掠入射廣角X-射線衍射（GIWAXS）發現三種材料對后處理方式具有不同的響應。對于IDIC-C5Ph而言，TA-SVA極大地增強了薄膜結晶性，誘導薄膜形成大量微晶，吸收光譜紅移。TA-SVA優化后基于IDIC-C5Ph的活性層中π-π堆積強度更高且堆積距離更小，有利于分子間電荷高效傳輸。高分辨透射電鏡（TEM）也進一步證實了這一規律。光伏性能結果（圖4）表明，IDIC-C5Ph器件經TA-SVA處理后，填充因子FF高達80.02%，且EQE大幅紅移，器件轉換效率PCE達到14.56%。高達80%的FF也是常規OSC器件中的最高值之一，反應了活性層內部良好的激子分離/電荷傳輸性能以及低的復合損失，大幅提高的FF歸功于活性層內形成了具有TCCT的受體納米晶域。考慮到TCCT特性在電荷傳輸及抑制復合方面的優勢，構建了不同活性層厚度的系列光伏器件（圖5）。常規單通道電荷傳輸IDIC-C4Ph器件，在膜厚105 nm時具有較高的FF（78.05%）和PCE，隨著厚度增加，FF降低明顯（300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65.26%），但厚膜OSCs的FF和PCE仍然高于絕大多數報道的數據，反應了此類側鏈結構（烷基側鏈-芳香末端）在調控BHJ形貌方面的優勢。更有意思的是對于IDIC-C5Ph器件而言，在低膜厚115 nm時FF高達80.02%，隨著膜厚增加，在307 nm時FF仍然高達75%，媲美大多數報道的低膜厚器件數據。在高達470 nm時，FF依然大于70%，PCE達到13%，體現了TCCT特性在厚膜OSCs研究中的優勢。相關研究成果以“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics”為題目發表在Cell Press旗下的期刊The Innovation.
圖1. （A）材料設計與思路；（B-C）吸收光譜；（D）分子軌道能級；（E）GIWAXS二維圖
圖3. 材料薄膜處理前后的GIWAXS二維圖（A-C, E-G, I-K）和一維線圖（D、H、L）
圖4. (A-C) J-V曲線；(D-F) FF值統計圖；(G-I) EQE曲線
圖5. （A、B）基于IDIC-C4Ph和IDIC-C5Ph的厚膜器件性能；（C、D）該工作與文獻參數對比 綜上所述，該研究通過微調烷基碳數及合理后處理，在受體材料中誘導形成了獨特的雙通道電荷傳輸（TCCT）特性。TCCT分子堆積可以更高效地傳輸載流子，抑制電荷傳輸過程中的雙分子復合，提高OSCs的FF（>80%）以及光電轉換效率，并在厚膜OSCs中展現出良好的應用前景（FF>70%, PCE>13%）。該研究表明非共軛側鏈對分子自組裝方式具有重要影響，值得進一步深入研究。該工作于2021年2月6日在The Innovation第二卷第一期正式刊出發表。The Innovation是一本由青年科學家與Cell Press共同創辦的綜合性英文學術期刊，目前有163位編委會成員，來自20個國家；45%編委來自海外；包含1位諾貝爾獎獲得者，26位各國院士；領域覆蓋全部自然科學。The Innovation于2020年5月20日創刊面世，目前即時指數(immediacy index)為3.571，約相當于影響因子16 (IF=16)。https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00015-1#近年來，中科院青島能源所包西昌研究員和李永海副研究員研究組（先進有機功能材料與器件團隊），在有機光伏器件形貌調控和器件穩定性及柔性方面取得系列進展。研究結果表明團隊設計的柔性側鏈-位阻末端的結構設計可以很好的調控活性層材料的聚集特性1-2，在涉及體系的器件中均表現出改善的填充因子和效率，同時在三元器件中亦表現出優異的通用性3-5；此外發展的“網格限域”概念顯著提升有機光伏器件的穩定性和柔性6。1. Y. Li*, N. Zheng, L. Yu, S. Wen, C. Gao, M. Sun, R. Yang*, Adv. Mater. 2019, 31, 1807832.2. C. Han, H. Jiang, P. Wang, Y. Lu, J. Wang, J. Han, W. Shen*, N. Zheng, S. Wen, Y. Li*, X. Bao*, Mater.Chem.Front. 2021, DOI: 10.1039/D0QM01037E.3. H. Jiang, X. Li, J. Wang, S. Qiao, Y. Zhang*, N. Zheng, W. Chen*, Y. Li*, R. Yang*, Adv. Funct. Mater. 2019, 29,1903596.4. H. Jiang, X. Li, H. Wang, Z. Ren, N. Zheng*, X. Wang, Y. Li*, W. Chen*, R. Yang*, Adv.Sci.2020, 7, 1903455.5. H. Jiang, C. Han, Y. Li*, F. Bi, N. Zheng, J. Han, W. Shen, S. Wen, C. Yang, R. Yang*, X.Bao* , Adv. Funct. Mater., 2020,30, 2007088.6. J. Han, F. Bao, D. Huang, X. Wang, C. Yang*, R. Yang*, X. Jian, J. Wang*, X. Bao*, J. Chu, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2003654.包西昌，中國科學院青島生物能源與過程研究所，研究員、課題組長，中國科學院青年創新促進會會員，研究方向主要包括光電材料與器件，納米功能材料方面的研究與應用。http://afm.qibebt.ac.cn/kytd/tdfzr.htm
李永海，2014年博士畢業于中科院化學研究所-張德清老師課題組，現為中國科學院青島生物能源與過程研究所副研究員，“清源學者”青年人才，中國科學院青年創新促進會會員，主要研究領域為有機太陽能電池。
文章轉載自微信公眾號：材料人
