中科院青島能源所The Innovation：側(cè)鏈微調(diào)控誘導(dǎo)雙通道電荷傳輸實(shí)現(xiàn)高效厚膜有機(jī)太陽(yáng)能電池
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2021-02-24 08:12:30
在~100 nm厚的活性層中，光子激子解離后可以高效地傳輸?shù)浇o受體界面并被收集，而在厚膜器件中，電荷傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的復(fù)合損失，從而嚴(yán)重降低OSCs的填充因子FF和最終效率。因此，如何改善厚膜BHJ中電荷傳輸是一個(gè)亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。
有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）由于具有輕量化、柔性、可溶液法大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，成為光伏領(lǐng)域的重要研究方向之一，特別是2015年以來(lái)新型小分子非富勒烯受體的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了OSCs的發(fā)展。然而目前報(bào)道的絕大多數(shù)的高性能電池均是基于~100 nm厚的活性層，對(duì)于面向應(yīng)用的高性能厚膜器件報(bào)道較少。決定OSCs光伏效率的核心組件是電子給受體材料共混而成的本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）活性層，電池內(nèi)部的光生激子生成與遷移、激子解離、電荷傳輸與復(fù)合等關(guān)鍵物理過(guò)程均依托于BHJ進(jìn)行。在~100 nm厚的活性層中，光子激子解離后可以高效地傳輸?shù)浇o受體界面并被收集，而在厚膜器件中，電荷傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的復(fù)合損失，從而嚴(yán)重降低OSCs的填充因子FF和最終效率。因此，如何改善厚膜BHJ中電荷傳輸是一個(gè)亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。最近，中科院青島能源所-包西昌研究員和李永海副研究員團(tuán)隊(duì)基于其前期開(kāi)發(fā)的柔性側(cè)鏈-位阻末端基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)柔性烷基碳數(shù)進(jìn)行微調(diào)控，以優(yōu)化分子堆積和本體異質(zhì)結(jié)形貌（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，x=5和x=6時(shí)材料結(jié)晶性降低，造成吸收光譜藍(lán)移。意外的是，中間烷基碳數(shù)的IDIC-C5Ph具有最弱的薄膜結(jié)晶性和最寬的光學(xué)帶隙。盡管如此，單晶X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)x=5時(shí)材料有區(qū)別于另外兩個(gè)側(cè)鏈截然不同的分子堆積方式。其誘導(dǎo)分子共軛主骨架產(chǎn)生兩種正交的分子取向，分子排列呈現(xiàn)獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有更多的π-π作用位點(diǎn)，可望實(shí)現(xiàn)高效的雙通道電荷傳輸（TCCT）（圖2）。針對(duì)x=5時(shí)IDIC-C5Ph材料展示出的弱薄膜態(tài)結(jié)晶性，科研人員通過(guò)多種后處理方式（熱退火TA、熱輔助溶劑退火TA-SVA）增強(qiáng)薄膜的結(jié)晶性（圖3）。通過(guò)掠入射廣角X-射線衍射（GIWAXS）發(fā)現(xiàn)三種材料對(duì)后處理方式具有不同的響應(yīng)。對(duì)于IDIC-C5Ph而言，TA-SVA極大地增強(qiáng)了薄膜結(jié)晶性，誘導(dǎo)薄膜形成大量微晶，吸收光譜紅移。TA-SVA優(yōu)化后基于IDIC-C5Ph的活性層中π-π堆積強(qiáng)度更高且堆積距離更小，有利于分子間電荷高效傳輸。高分辨透射電鏡（TEM）也進(jìn)一步證實(shí)了這一規(guī)律。光伏性能結(jié)果（圖4）表明，IDIC-C5Ph器件經(jīng)TA-SVA處理后，填充因子FF高達(dá)80.02%，且EQE大幅紅移，器件轉(zhuǎn)換效率PCE達(dá)到14.56%。高達(dá)80%的FF也是常規(guī)OSC器件中的最高值之一，反應(yīng)了活性層內(nèi)部良好的激子分離/電荷傳輸性能以及低的復(fù)合損失，大幅提高的FF歸功于活性層內(nèi)形成了具有TCCT的受體納米晶域。考慮到TCCT特性在電荷傳輸及抑制復(fù)合方面的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了不同活性層厚度的系列光伏器件（圖5）。常規(guī)單通道電荷傳輸IDIC-C4Ph器件，在膜厚105 nm時(shí)具有較高的FF（78.05%）和PCE，隨著厚度增加，F(xiàn)F降低明顯（300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65.26%），但厚膜OSCs的FF和PCE仍然高于絕大多數(shù)報(bào)道的數(shù)據(jù)，反應(yīng)了此類側(cè)鏈結(jié)構(gòu)（烷基側(cè)鏈-芳香末端）在調(diào)控BHJ形貌方面的優(yōu)勢(shì)。更有意思的是對(duì)于IDIC-C5Ph器件而言，在低膜厚115 nm時(shí)FF高達(dá)80.02%，隨著膜厚增加，在307 nm時(shí)FF仍然高達(dá)75%，媲美大多數(shù)報(bào)道的低膜厚器件數(shù)據(jù)。在高達(dá)470 nm時(shí)，F(xiàn)F依然大于70%，PCE達(dá)到13%，體現(xiàn)了TCCT特性在厚膜OSCs研究中的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究成果以“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics”為題目發(fā)表在Cell Press旗下的期刊The Innovation.圖1. 材料側(cè)鏈調(diào)控與基本性質(zhì)
圖1. （A）材料設(shè)計(jì)與思路；（B-C）吸收光譜；（D）分子軌道能級(jí)；（E）GIWAXS二維圖
圖3. 材料薄膜處理前后的GIWAXS二維圖（A-C, E-G, I-K）和一維線圖（D、H、L）
圖4. (A-C) J-V曲線；(D-F) FF值統(tǒng)計(jì)圖；(G-I) EQE曲線
圖5. （A、B）基于IDIC-C4Ph和IDIC-C5Ph的厚膜器件性能；（C、D）該工作與文獻(xiàn)參數(shù)對(duì)比 綜上所述，該研究通過(guò)微調(diào)烷基碳數(shù)及合理后處理，在受體材料中誘導(dǎo)形成了獨(dú)特的雙通道電荷傳輸（TCCT）特性。TCCT分子堆積可以更高效地傳輸載流子，抑制電荷傳輸過(guò)程中的雙分子復(fù)合，提高OSCs的FF（>80%）以及光電轉(zhuǎn)換效率，并在厚膜OSCs中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景（FF>70%, PCE>13%）。該研究表明非共軛側(cè)鏈對(duì)分子自組裝方式具有重要影響，值得進(jìn)一步深入研究。該工作于2021年2月6日在The Innovation第二卷第一期正式刊出發(fā)表。The Innovation是一本由青年科學(xué)家與Cell Press共同創(chuàng)辦的綜合性英文學(xué)術(shù)期刊，目前有163位編委會(huì)成員，來(lái)自20個(gè)國(guó)家；45%編委來(lái)自海外；包含1位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，26位各國(guó)院士；領(lǐng)域覆蓋全部自然科學(xué)。The Innovation于2020年5月20日創(chuàng)刊面世，目前即時(shí)指數(shù)(immediacy index)為3.571，約相當(dāng)于影響因子16 (IF=16)。https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00015-1#團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的近期工作近年來(lái)，中科院青島能源所包西昌研究員和李永海副研究員研究組（先進(jìn)有機(jī)功能材料與器件團(tuán)隊(duì)），在有機(jī)光伏器件形貌調(diào)控和器件穩(wěn)定性及柔性方面取得系列進(jìn)展。研究結(jié)果表明團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的柔性側(cè)鏈-位阻末端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以很好的調(diào)控活性層材料的聚集特性1-2，在涉及體系的器件中均表現(xiàn)出改善的填充因子和效率，同時(shí)在三元器件中亦表現(xiàn)出優(yōu)異的通用性3-5；此外發(fā)展的“網(wǎng)格限域”概念顯著提升有機(jī)光伏器件的穩(wěn)定性和柔性6。1. Y. Li*, N. Zheng, L. Yu, S. Wen, C. Gao, M. Sun, R. Yang*, Adv. Mater. 2019, 31, 1807832.2. C. Han, H. Jiang, P. Wang, Y. Lu, J. Wang, J. Han, W. Shen*, N. Zheng, S. Wen, Y. Li*, X. Bao*, Mater.Chem.Front. 2021, DOI: 10.1039/D0QM01037E.3. H. Jiang, X. Li, J. Wang, S. Qiao, Y. Zhang*, N. Zheng, W. Chen*, Y. Li*, R. Yang*, Adv. Funct. Mater. 2019, 29,1903596.4. H. Jiang, X. Li, H. Wang, Z. Ren, N. Zheng*, X. Wang, Y. Li*, W. Chen*, R. Yang*, Adv.Sci.2020, 7, 1903455.5. H. Jiang, C. Han, Y. Li*, F. Bi, N. Zheng, J. Han, W. Shen, S. Wen, C. Yang, R. Yang*, X.Bao* , Adv. Funct. Mater., 2020,30, 2007088.6. J. Han, F. Bao, D. Huang, X. Wang, C. Yang*, R. Yang*, X. Jian, J. Wang*, X. Bao*, J. Chu, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2003654.包西昌，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，研究員、課題組長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員，研究方向主要包括光電材料與器件，納米功能材料方面的研究與應(yīng)用。http://afm.qibebt.ac.cn/kytd/tdfzr.htm
李永海，2014年博士畢業(yè)于中科院化學(xué)研究所-張德清老師課題組，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所副研究員，“清源學(xué)者”青年人才，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛袡C(jī)太陽(yáng)能電池。
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