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【Adv. Funct. Mater.】 香港中文大学 Xinhui Lu & 中国科学院 Guilong Cai:双添加剂优化全小分子有机太阳能电池,实现无溶剂蒸发处理的高效率

顶尖团队的选择

重点摘要

本篇研究由 香港中文大学 Xinhui Lu、中国科学院 Guilong Cai 等人发表。

  • 1,4-二碘苯(DIB)和偶氮甲烷(DIM)的双添加剂策略有效优化了基于BTR-Cl:Y6的全小分子有机太阳能电池(ASM-OSCs)的形态,无需溶剂蒸发处理。
  • DIB和DIM具有协同作用 – DIB增强了Y6的分子堆积,而DIM抑制了BTR-Cl在薄膜形成过程中的聚集。
  • 双添加剂的引入改变了BTR-Cl的优先取向,从侧柱面取向变为端柱面取向,促进了电荷输运。
  • 随着给体/受体相分离的细化,达成光生电荷分离和电荷提取的平衡。
  • 优化后的ASM-OSCs效率达到15.2%,是迄今为止在无溶剂蒸发处理的情况下,已报导的二元体系中最高的。
  • 这项工作展示了一种有前景的方法来控制奈米尺度的形态以实现高效的小分子有机光电子器件。

研究使用光焱科技太阳光模拟器SS系列 与量子效率测试系统 QE-R来协助量测,SS具备A+光谱搭配拥有高重复与准确性的QE-R,使研究结果更加精准。

背景

全小分子有机太阳能电池(ASM-OSCs)因小分子给体和受体的精确定义结构而具有前景,消除了聚合物的批次变异再现性问题。但是,由于小分子组分相似的化学结构和高度的混溶性,控制 ASM-OSCs 中的渗透异质结构体形态更具挑战性。通常用于优化形态的溶剂蒸发处理策略,其可扩展性差。另一方面,最近的研究表明,引入添加剂可以在没有复杂溶剂蒸发处理的情况下有效调节 ASM-OSCs 中的结晶化和相分离。然而,到目前为止,这个领域的研究非常有限。本工作开发了双添加剂方法以准确控制小分子给体和受体在 ASM-OSCs 中各自的形态。

结果

  • 紫外可见吸收测量表明,DIB主要与受体Y6发生作用,而DIM主要与给体BTR-Cl发生作用。
  • GIWAXS数据显示双添加剂的引入使BTR-Cl在混合薄膜中的优先取向从侧柱面取向转变为端柱面取向,利于垂直传输电荷穿过器件。
  • GISAXS测量和分析表明,在双添加剂作用下,BTR-Cl域大小增加,在保持电荷收集交错通道的同时,在广阔的界面上促进了光生电荷分离。
  • 空间电荷限制电流拟合表明双添加剂处理的混合薄膜分别达到最高的洞迁移率9.2 x 10-4 cm2V-1s-1 和电子迁移率7.9 x 10-4 cm2V-1s-1,这也归因于更有利的端柱面堆积。
  • 在没有任何溶剂蒸发处理的情况下,优化的 ASM-OSCs 在 5 mg/mL DIB 和 0.3% DIM 条件下效率达到 15.2%,是迄今报导的二元小分子系统中最高的。
  • 瞬态吸收测量确认了与对照样品相比,双添加剂样品的混合薄膜中结合过程更慢。

方法

  • 使用 1,4-二碘苯 (DIB,固体)和偶氮甲烷 (DIM,液体) 开发双添加剂策略。
  • 利用紫外可见吸收、GIWAXS、AFM、TEM等表征形态。空间电荷限制电流测量电荷迁移率。
  • 制作太阳能电池以评价性能。过渡吸收光谱和电容光谱研究动力学过程。

结论

这项工作展示了一种有效的双添加剂策略来优化全小分子有机太阳能电池的形态。两种添加剂在调节光电活性层的相分离和分子堆积中发挥了协同作用 – DIB与受体Y6形成共晶相从而紧密其分子堆积,同时DIM的挥发抑制了给体BTR-Cl的聚集。其结果是,在给体取向有利地从侧柱面转变为端柱面取向的同时,获得了平衡的域大小,有利于电荷生成和传输。提高的电荷载流子迁移率、抑制的复合以及优化的奈米尺度形态共同促成了 15.2% 的高功率转换效率,而这是在没有溶剂蒸发处理的情况下的二元 ASM-OSCs。这种双添加剂方法提供了一种有前景和简便的方式来调节形态以实现高效的小分子光电子器件。

 

关键词: Organic Solar Cell

a) 分子结构:BTR-Cl、Y6、DIM、DIB。b) Normalized absorption spectra:BTR-Cl薄膜无添加剂,以及添加DIM/DIB。c) Normalized absorption spectra:Y6薄膜无添加剂,以及添加DIM/DIB。

a) J-V 曲线。 b) PCE 的统计直方图。 c) EQE 响应和性能最佳设备的集成 JSC。 d) 使用不同添加剂处理的 Jph 与 Veff 特性。

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