常大提出新策略制备太阳能电池，为提升有机光电器件性能注入动力

2023-09-08 18:10:23 来源：DeepTech 小 中

硅基太阳能电池、钙钛矿太阳能电池是被公认的有前景的新能源研究方向，在二者之外，有机太阳能电池（Organic Solar Cell，OSC）也被看好。OSC 由于自身的优势，例如生产过程简单、质量轻、半透明和可柔性化等，在柔性智能设备等领域具备广阔的应用场景。

图丨宋欣（来源：宋欣）

常州大学宋欣教授、朱卫国教授团队通过薄膜形成动力学的精细协调，设计了一种中间相工程（intermediate state engineering，ISE）的新策略，以实现电荷传输能力更强的厚活性层形貌。

【资料图】

他们利用原位吸收、荧光及光散射技术，第一次能够实时地观察到 ISE 策略诱导受体分子有序聚集的全过程。并且，利用刮刀涂层方法，他们还制备出高性能、长期可操作性的厚度不敏感型 OSC 器件。

通过这种新策略，能够促使器件内部的能量在无序度降低时，也使电荷收集能力得到提升。从而将器件能量转换效率（power conversion efficiency，PCE）从 % 提升为 %。

另一方面，活性层膜厚度大于 300nm，能够减少因厚薄程度不同而引发孔洞现象，这是厚膜 OSC 产业化的“必经之路”。研究团队在活性层膜厚度大于 300nm 的条件下，使器件的 PCE 值实现了 %，该性能为迄今为止报道文献中厚膜有机太阳能电池的最高效率。该研究中提出 ISE 策略有助于推进厚膜 OSC 向产业化进一步迈进，为提升 OSC 以及其他有机光电器件的性能提供参考。

图丨相关论文（来源：Energy & Environmental Science）

近日，相关论文以《通过中间相工程调控活性层成膜动力学制备膜厚不敏感的高效率有机太阳能电池》（Film-formation dynamics coordinated by intermediate state engineering enables efficient thickness-insensitive organic solar cells）为题发表在 Energy & Environmental Science [1]。常州大学宋欣教授为论文的第一作者兼共同通讯作者，朱卫国教授为论文共同通讯作者。

图丨中间相工程策略示意图及相应的器件效率曲线（来源：Energy & Environmental Science）

该团队将 Y6 类分子作为受体，并用 1，3，5-三溴苯（1，3，5-Tribromobenzene，TBr）固体为工艺助剂。基于 TBr 具有低成本和挥发性的特点，并且其与这类受体的紧密分子间相互作用会形成中间态，因而能够调控成膜动力学，从而使结晶度提升及显著地明分级相分离。由于本体异质结纳米形貌的特殊调节，在 ISE 策略下处理的器件表现为改善的载流子传输以及收集动力学，并能够使陷阱密度、陷阱辅助复合得以抑制。

（来源：Energy & Environmental Science）

研究人员通过实验结果表明，在 PM6：L8-BO 基础上实现的 PCE 至达 % 以及填充因子为 %，和其对照器件相比，相关性能提升 %。值得关注的是，得益于结晶度的增加，利用刮刀涂布工艺构建出高效的厚膜 OSC，其中器件厚度在大于 300nm 条件下，获得的 PCE 值高达 %，该数值代表了目前厚膜器件的效率最高值之一。

另一方面，利用 ISE 策略制备的器件还呈现极大的光稳定性。根据相关实验数据，研究人员在连续 1 太阳光照测试下，将 T80 的寿命从 106 小时提升至 492 小时。

这表明，研究团队所设计的 ISE 策略可以实现“一箭双雕”的效果，即能够获得合适的纳米形貌，并在提高 OSC 器件光伏性能的同时，还使器件厚度的不敏感特性得以提升。

图丨器件光伏性能测试来源：Energy & Environmental Science）

宋欣教授 2019 年在沙特阿卜杜拉国王科技大学获得博士学位后，回国开展独立工作，以大面积、高效率的 OSC 器件制备及机理研究为主要方向。此前，宋欣教授等人提出工艺辅助固体、溶剂诱导反聚集等策略，调控有机半导体材料的聚集态结构，在小面积及大面积有机太阳能电池效率方面取得重要突破[2,3]。

展望该领域的未来，宋欣表示：“有机太阳能电池的形貌演变对器件性能的提升起着至关重要的作用，新型挥发固体添加剂的设计与开发可为后续大面积、高效、稳定有机太阳能电池的高通量制备提供强有力的支撑。”

参考资料：

Song et al. Film-formation dynamics coordinated by intermediate state engineering enables efficient thickness-insensitive organic solar cells. Energy & Environmental Science 16, 3441 (2023). /D3EE01320K

Song et al. Solvent-Induced Anti-Aggregation Evolution on Small Molecule Electron-Transporting Layer for Efficient, Scalable, and Robust Organic Solar Cells. Advanced Energy Materials, 2023,13,://

Song et al. Process-Aid Solid Engineering Triggers Delicately Modulation of Y-Series Non-Fullerene Acceptor for Efficient Organic Solar Cells. Advanced Materials, 2022, 34, 2200907. .

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