【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】全聚合物太陽能電池具有優(yōu)異柔韌性、溶液加工性和熱穩(wěn)定性等特點，在可穿戴、可拉伸設(shè)備的輕量、大面積印刷應(yīng)用方面具有廣闊前景。活性層形貌優(yōu)化特別是調(diào)控給體結(jié)晶與相分離是其關(guān)鍵，但溶劑蒸汽退火等后處理過程的實時形貌演變機制尚不清晰。
中國科學院上海高等研究院研究員楊春明等，基于上海光源小角散射線站，建立了有機太陽能電池原位掠入射X射線散射研究平臺。科研人員利用同步輻射掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)和原位紫外-可見光譜 (UV-vis)，結(jié)合掠入射小角X射線散射技術(shù)(GISAXS)，實時追蹤了刮涂法制備的PM6: PY-IT全聚合物電池活性層在溶劑蒸汽退火過程中的動態(tài)形貌變化，揭示了溶劑蒸汽退火調(diào)控全聚合物共混薄膜形態(tài)的溶脹-再結(jié)晶-重排三階段機制及其與性能的關(guān)聯(lián)。
UV-vis結(jié)果顯示，在飽和蒸氣壓高、溶解度低的非極性溶劑二硫化碳蒸汽作用下，PY-IT吸收峰出現(xiàn)紅移；而在飽和蒸氣壓低、溶解度高的極性溶劑氯仿(CF)蒸汽作用下，該峰則出現(xiàn)藍移。這表明，極性溶劑對聚合物受體(PY-IT)的影響更顯著，誘導(dǎo)其分子鏈構(gòu)象變化，形成更致密的空穴傳輸層，從而提升空穴傳輸效率。GIWAXS分析確認，溶劑蒸汽退火過程包含溶劑溶脹、再結(jié)晶和分子重排三個特征階段。適度的溶劑蒸汽退火時間有助于穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出晶格間距減小、載流子遷移率增加以及相分離尺寸優(yōu)化，能夠提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率。研究顯示，過度的溶劑蒸汽退火可能導(dǎo)致分子重排階段晶體重新膨脹，不利于性能提升，但熱退火(TA)預(yù)處理可抑制這種不良膨脹。進一步，研究通過GISAXS，在介觀尺度水平上研究納米級相分離行為發(fā)現(xiàn)，TA+CF溶劑蒸汽退火組合處理的薄膜展現(xiàn)出最優(yōu)的形貌特征，包括最大的給體相干長度、最大的受體聚集相尺寸、最高的受體分形維數(shù)及最大的受體相干長度。熱退火預(yù)處理誘導(dǎo)的PY-IT聚集體尺寸增大，是實現(xiàn)適度結(jié)晶度和理想相分離的關(guān)鍵，有助于促進電荷分離與傳輸。
上述研究闡明了極性溶劑溶劑蒸汽退火主要優(yōu)化分子堆積，而非極性溶劑溶劑蒸汽退火更傾向于促進相分離，這為高性能刮涂器件提供了工藝-材料協(xié)同優(yōu)化策略。同時，這一成果為后續(xù)探索多溶劑協(xié)同退火、動態(tài)過程的精準調(diào)控以及發(fā)展環(huán)境友好的綠色工藝奠定了基礎(chǔ)，有望推動大面積柔性全聚合物太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化進程。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進科學》(Advanced Science)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持。該工作由上海高研院、太原科技大學和香港理工大學合作完成。
刮涂全聚合物太陽能電池溶劑蒸汽退火過程中(a)原位GIWAXS和UV-vis同時測量示意圖，(b)采用不同溶劑蒸汽退火處理的微觀形貌演變示意圖。
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