【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生毛鵬在材料類國際頂級期刊《 Materials Science and Engineering: R: Reports 》(IF: 31.6)上發(fā)表題目為“In-situ volatilization of solid additive assists as-cast organic solar cells with over 20?% efficiency”的研究論文。北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，安橋石特別研究員和王金亮教授為共同通訊作者。
溶液處理的有機太陽能電池(OSCs)以其色彩豐富、半透明、柔性、低成本等獨特的優(yōu)勢，在構(gòu)建集成光電子器件和柔性電子設(shè)備方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。隨著有機半導(dǎo)體和器件工程的不斷創(chuàng)新，單結(jié)OSCs的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)已達到20%以上，達到了工業(yè)化應(yīng)用的門檻。然而，高性能的OSCs通常依賴于復(fù)雜的前處理及后處理技術(shù)優(yōu)化活性層形貌，顯著增加了器件的生產(chǎn)成本。此外，復(fù)雜的工藝通常會導(dǎo)致器件穩(wěn)定性、可重復(fù)性和與大規(guī)模生產(chǎn)兼容性方面的系列問題。因此，開發(fā)加工工藝簡單，高效的OSCs具有重要意義。鑄態(tài)OSCs因活性層制備無需附加任何優(yōu)化工藝，其無疑是降低器件加工成本最有效的方案。此外，鑄態(tài)器件中材料與器件的構(gòu)效關(guān)系更為直接，有利于推動有機光伏材料的發(fā)展。受啟發(fā)于高揮發(fā)性固體添加劑，如果活性層在制備過程中，添加劑能夠完全揮發(fā)，而無需熱退火處理，則器件可視為多組分的鑄態(tài)OSCs。在這項工作中，該團隊將高揮發(fā)性固體添加劑DBDF引入不同體系制備了系列器件(圖1)，并對其構(gòu)效關(guān)系進行了系統(tǒng)研究。
圖1.材料特性及固體添加劑DBDF原位揮發(fā)性質(zhì)研究。
成膜動力學(xué)與形貌研究證明表明，在無需額外前/后處理工藝的條件下，DBDF在旋涂過程中能夠完全原位揮發(fā)(圖2)，進而誘導(dǎo)活性層形成更優(yōu)的分子堆積和給受體垂直相分離結(jié)構(gòu)，從而促進器件中電荷的高效生成與提取。此外，有序的分子堆積使給體和受體的吸收光譜發(fā)生紅移，有利于捕獲更多光子，進一步增強了電荷生成效率。以經(jīng)典PM6:Y6為活性層，基于DBDF的OSCs無需額外工藝優(yōu)化即實現(xiàn)了18.1%的優(yōu)異PCE，且展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，顯著優(yōu)于對比器件。此外，在D18:N3:Y6-1O體系中引入DBDF后，鑄態(tài)器件獲得了20.2%的PCE，其性能媲美文獻中基于各種復(fù)雜工藝的器件。值得注意的是，后續(xù)熱退火處理因增加電壓損失而對性能提升作用甚微。這項工作提出了一種簡化器件制備工藝的巧妙策略，為推動低成本商業(yè)化生產(chǎn)OSCs的發(fā)展提供了新思路。
圖2. 活性層成膜動力學(xué)研究。
本研究得到了中央高校基本科研業(yè)務(wù)費的資助及北京理工大學(xué)分析測試中心的支持。
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