北理工團隊在基于高沸點溶劑有機光伏電池的研究中取得重要進展
發布日期：2023-10-09 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數：
近期，北京理工大學化學與化工學院本科生楊楚宬和博士生蔣夢云以共同一作身份在國際頂級期刊《 Advanced Materials 》（IF: 29.4）上發表題目為“Hot-casting strategy empowers high-boiling solvent-processed organic solar cells with over 18.5% efficiency”的研究論文。北京理工大學為第一通訊單位，安橋石特別研究員、王金亮教授和北京交通大學張?？〗淌跒楣餐ㄓ嵶髡?。本研究得到了國家自然科學基金，北京市自然科學基金和北京理工大學青年教師學術啟動計劃等項目的資助及北京理工大學分析測試中心的支持。
圖1. (a) PM6, BO-4Cl分子式。(b) PM6, BO-4Cl, 界面層和電極的能級示意圖。(c) 不同工藝有源層制備示意圖。(d) PM6, (e) BO-4Cl和(f) PM6:BO-4Cl溶液的變溫吸收光譜。
有機光伏電池作為一種綠色的光電轉化技術，具有質量輕、柔性、半透明、可大面積制備等獨特的優勢，有望彌補光伏市場在半透明及柔性器件方面的缺位。當前，大多數高效率器件均是基于低沸點鹵化溶劑氯仿（沸點：~ 61 ℃）制備的，很大程度上限制了器件制備過程中的可操作空間，不僅不利于器件生產的穩定性，還會在未來大規模生產中增加風險和成本。因此，探究如何利用具有寬加工窗口的高沸點溶劑構筑高效有機光伏電池至關重要。針對上述問題，考慮到氯仿在有機光伏電池中的良好表現及溶劑沸點、漢森溶解度常數、飽和蒸汽壓等因素，該團隊提出利用熱鑄策略，利用高沸點溶劑模擬以氯仿為溶劑時有源層的成膜動力學過程以制備高效器件。該研究分別采用高沸點溶劑氯苯（沸點：~ 132 ℃）和鄰二甲苯（沸點：~ 145 ℃）為主體溶劑，基于PM6:BO-4Cl與PM6:BTP-eC9明星體系（圖1）進行探究，首次闡明了熱鑄策略對有機光伏電池性能的影響機制。
圖2. 不同處理工藝有源層內給受體材料的垂直分布。
兩種工藝的成膜動力學及所得有源層形貌有明顯差異。相比于室溫制膜，熱鑄策略使成膜時給受體分子更快速且同步地自組裝，從而優化了有源層內給體/受體的比例、有源層的表面形貌及體形貌，改善了器件的激子和載流子動力學過程，最終顯著提高了器件的效率（圖2、圖3）。因此，基于PM6:BO-4Cl體系，基于兩種高沸點溶劑的最優效率分別可以達到18.03%和18.12%；而PM6:BTP-eC9熱鑄器件的最優效率分別為18.34%和18.52%，均明顯高于常溫溶劑制備的器件，并創造了該類器件的效率紀錄。綜上，該工作展示了一種調控有源層內分子分布與堆積的簡單策略，有助于深入理解共混膜的形貌演變過程和構建高效率具有寬加工窗口的有機光伏電池。
圖3. 不同處理工藝有源層的成膜動力學過程
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202305356。
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