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南昌大學(xué)陳義旺教授課題組成果報(bào)道丨在三元有機(jī)太陽(yáng)能電池準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)方面取得新進(jìn)展

來(lái)源：測(cè)試GO 時(shí)間：2020-12-04 17:36:05 瀏覽：6784次

本文主要由論文第一作者萬(wàn)繼撰寫。在此，特別感謝南昌大學(xué)高分子及能源化學(xué)研究院陳義旺教授課題組的大力支持。謝謝大家對(duì)我們的持續(xù)關(guān)注！

在三元有機(jī)太陽(yáng)能電池準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)方面取得新進(jìn)展

研究背景

由化石燃料引起的能源短缺和環(huán)境污染已成為亟待解決的問(wèn)題，更換清潔，可回收的綠色能源可以緩解這一問(wèn)題。有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）是通過(guò)有效地將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種既定方法，也是一種可選方法。基于溶液處理的有機(jī)光伏（OPV）由于其許多明顯的優(yōu)勢(shì)而在科學(xué)界引起了關(guān)注，例如重量輕，轉(zhuǎn)移方便，可穿戴，柔性，半透明等。

傳統(tǒng)的有機(jī)太陽(yáng)能電池的活性層材料，絕大部分都是采用本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）的方法，即簡(jiǎn)單地將給體材料和受體材料混合在一起來(lái)制備，并取得了快速的發(fā)展，其通常有利于激子分離和載流子傳輸，并能夠有效提升光伏體系的短路電流和填充因子。

盡管如此，BHJ結(jié)構(gòu)也存在諸多缺點(diǎn)。一方面，基于BHJ結(jié)構(gòu)的活性層形貌難以調(diào)控；另一方面，盡管BHJ的活性層具有更多的D/A接觸界面，但是很難控制垂直相分離，特別是在三元有機(jī)太陽(yáng)能電池中，部分第三組分無(wú)法很好的兼容進(jìn)去導(dǎo)致內(nèi)部可能有一些獨(dú)立的孤島區(qū)域存在，這意味著分離的電子和空穴不能有效地傳輸?shù)诫姌O表面，并最終導(dǎo)致重組。同時(shí)，三元本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的未知性和復(fù)雜性也給科學(xué)研究也帶來(lái)了困難。

研究成果

近日，南昌大學(xué)高分子及能源化學(xué)研究院陳義旺教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在通過(guò)連續(xù)旋涂法制備準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)高效三元有機(jī)太陽(yáng)能電池方面取得了重要進(jìn)展。該研究通過(guò)改進(jìn)旋涂方法，優(yōu)化了有機(jī)太陽(yáng)能電池的垂直相分離，同時(shí)利用兩個(gè)受體材料形成合金的特性有效地減少了三元太陽(yáng)能中第三組分的無(wú)序混亂分布，提高了電池的激子分離效率和電荷傳輸能力，相關(guān)研究成果以《High-performance pseudoplanar heterojunction ternary organic solar cells with nonfullerene alloyed acceptor》為題，發(fā)表于材料領(lǐng)域著名期刊Advanced Functional Materials。論文的第一作者為南昌大學(xué)碩士生萬(wàn)繼，通訊作者為陳義旺教授。(DOI：10.1002/adfm.201909760)

該研究是基于PM6:IT-4F為主體系，通過(guò)添加近紅外小分子受體F8IC作為第三組分來(lái)拓寬光譜吸收，從而提高電池穩(wěn)定性和效率。在成功制備了三元BHJ太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地將兩個(gè)非富勒烯受體材料溶解在一起，然后逐層旋涂給體層，混合受體層制備出效率為14.2%的準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)三元太陽(yáng)能電池器件，這對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料的最大化合理利用具有重要意義。

圖文解析

在三元有機(jī)太陽(yáng)能電池準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)方面取得新進(jìn)展

Figure 1. a) Schematic diagram of the P-ternary devices. b) Chemical structures of donor PM6 and acceptors of IT-4F and F8IC. c) Normalized electronic absorbance spectra of pristine PM6, IT-4F and F8IC films. d) Absorption spectra of binary, B-ternary and P-ternary films.

該研究所用的材料是當(dāng)前十分熱門的給體材料PM6，以及小分子非富勒烯受體材料IT-4F和F8IC；通過(guò)將兩個(gè)結(jié)構(gòu)相似的小分子很好地溶解在一起，極大地提高了第三組分受體材料的利用率，很好地調(diào)控了活性層中垂直組分的分布。給體材料更接近于空穴傳輸層，受體材料更接近于電子傳輸層，從而有效地減少了活性層中孤島區(qū)域的出現(xiàn)，同時(shí)可發(fā)現(xiàn)基于連續(xù)旋涂法制備的器件活性層吸收系數(shù)得到了顯著提高。

在三元有機(jī)太陽(yáng)能電池準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)方面取得新進(jìn)展

Figure 2. a) Energy levels diagram of PM6, F8IC and IT-4F. b) V_oc dependence of IT-4F content of OSCs. c) HOMO and LUMO evolution of IT-4F:F8IC mixed materials depending on F8IC content. d) Water contact angles of PM6, IT-4F, F8IC, and IT-4F:F8IC films. e) DSC curves of the IT-4F, F8IC and IT-4F:F8IC blend at a scan rate of 10°C /min under nitrogen atmosphere. f) Grazing incidence X-ray diffraction spectra of PM6, IT-4F, F8IC and IT-4F:F8IC films.

對(duì)于兩個(gè)非富勒烯小分子溶解在一起之后所形成的受體層，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了進(jìn)一步的深入研究，結(jié)果表明這兩個(gè)結(jié)構(gòu)十分相似的小分子在混合溶解之后，具有非常好的兼容性，且形成了一個(gè)新的合金受體小分子。如圖2所示，這一研究結(jié)果表明可以通過(guò)選擇合適的第三組分材料，使之與主受體形成合金，可將三元太陽(yáng)能電池二元化，且更有利于制備準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的高效三元太陽(yáng)能電池。

在三元有機(jī)太陽(yáng)能電池準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)方面取得新進(jìn)展

Figure 3. a) GIWAXS patterns of the Binary, B-ternary and P-ternary films and b) the out-of-plane and in-plane line-cut profiles of the GIWAXS patterns.

如圖3所示，進(jìn)行了掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)測(cè)試（GIWAXS were provided technical support by Ceshigo Research Service "www.truecom.cn “. ），以研究共混膜的分子堆積和取向。由于聚合物給體的強(qiáng)結(jié)晶性，二元本體異質(zhì)結(jié)，三元本體異質(zhì)結(jié)和三元準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)膜的分子取向相似，它們都表現(xiàn)出顯著的face-on分子取向?；谙嗨频姆肿尤∠蚝托袨?，得出了體系結(jié)構(gòu)的演變對(duì)分子結(jié)晶性影響不大的結(jié)論。

在三元有機(jī)太陽(yáng)能電池準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)方面取得新進(jìn)展

Figure 4. a–c) AFM height images and d–f) phase images, g–i) TEM images of IT-4F, F8IC and IT-4F:F8IC films.

如圖4所示，單獨(dú)的小分子活性層形成了較大尺寸的相分離，不利于激子分離與電荷傳輸，而合金受體的相分離逐漸減小，形成纖維狀相分離和納米級(jí)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制了激子復(fù)合，因而顯著提升了器件效率。

研究小結(jié)

本文通過(guò)巧妙且合理地選擇第三組分受體，使其與主受體融合在一起形成合金受體，調(diào)節(jié)了活性層的結(jié)晶性質(zhì)，從而優(yōu)化了相分離形貌。同時(shí)，該方法有利于將合金受體材料應(yīng)用于連續(xù)旋涂法中來(lái)制備準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)三元有機(jī)太陽(yáng)能電池，獲得較高的可重復(fù)性和器件穩(wěn)定性，該方法為三元有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層形貌優(yōu)化開(kāi)辟了新的思路。

團(tuán)隊(duì)介紹

南昌大學(xué)高分子及能源化學(xué)研究院杰青獲得者陳義旺教授及其團(tuán)隊(duì)，一直致力于高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池關(guān)鍵材料的研發(fā)、器件制備研究。目前主要研究方向包括：有機(jī)小分子、高分子太陽(yáng)能電池關(guān)鍵材料（給體/受體/界面材料）的分子設(shè)計(jì)與合成；鈣鈦礦太陽(yáng)能電池關(guān)鍵材料及結(jié)構(gòu)（空穴傳輸層/電子傳輸層）的設(shè)計(jì)；有機(jī)小分子、高分子太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件性能及工藝優(yōu)化研究；超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)合成與研究；電催化機(jī)理的研究等等。

近年來(lái)在有機(jī)光伏領(lǐng)域取得一系列重要研究成果。(J. Am. Chem. Soc. 140 (6), 2054-2057 (2018), Angew. Chem. Int. Ed. 57 (17), 4580-4584 (2018), Adv. Energy Mater. 9 (18), 1900198 (1-9) (2019), Adv. Energy Mater. 8 (24), 1801214 (1-7) (2018), Adv. Mater. 29 (27), 1606656 (1-9) (2017), Adv. Mater. 28 (24), 4852-4860 (2016))

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