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《能源环境科学》发表闵杰课题组有机太阳能电池新成果

作者:     点击:      时间:2019-09-10

近日,《能源环境科学》(《Energy & Environmental Science》, 2019年最新影响因子:33.250)在线发表了高等研究院闵杰课题组关于合理调控垂直分层逐层刮涂实现有机太阳能电池高性能的机理研究成果。

论文题目为《基于多目标优化的有机太阳能电池逐层刀片涂层方法:合理控制垂直分层实现高性能》(《A multi-objective optimization-based layer-by-layer blade-coating approach for organic solar cells: rational control of vertical stratification for high performance》2019,DOI: 10.1039/C9EE02295C)。高等研究院为第一署名单位/唯一通讯单位,2017级硕士研究生孙瑞为第一作者,闵杰研究员为通讯作者。

近年来,溶液法制备的异质结有机太阳能电池因其具有轻质、柔性、半透明、可大面积制备等优点,获得了广泛的关注。溶液处理的有机太阳能电池(OSC)的光伏性能,包括器件效率和稳定性,与特定光活性材料或系统的本体异质结(BHJ)混合微结构密切相关。近三十年来的形貌控制策略可分为三类,如图1所示,包括真空蒸发平面双层结构、溶液处理体异质结(BHJ)结构和逐层结构(LbL或伪双层)。其中,BHJ解决方案处理方法在OSC的开发中发挥了不可替代的领先优势,并且经过科研人员的努力,最近将能量转换效率(PCE)推向了历史新高,单结器件的PCE已经超过16%。但是,它仍然有一些缺点。因此,找到一种有效且高度可重复的方法来控制形态仍然是OSC领域中最重要的研究课题之一。基于此,课题组结合刮涂涂膜工艺,系统地分析了溶液BHJ和LbL涂膜方法的优缺点,重点强调了LbL更有利于提升有机太阳能电池的性能。

图1 真空蒸发平面双层结构、溶液处理体异质结(BHJ)结构和逐层结构(LbL或伪双层)。

在这项工作中,课题组通过在线PL详细描述了BHJ和LbL共混物在成膜过程中的分子动力学内在特征,将不同的3D形态特征与BHJ和LbL共混物的光电流产生和提取过程以及它们在器件中的稳定性问题相关联并系统地评估了它们的多个目标参数,包括形态特征,光学模拟,物理动力学,器件效率和混合稳定性问题。结果表明,相比于传统的BHJ方法,该课题中的LbL方法具有明显的优势,如图2所示。具体如下所述:1. LbL刀片刮涂有助于受体分子与供体混合,从而获得具有合适D / A的热力学上更有利的纳米形态界面区域。通过独立地控制和优化D和A沉积,可以容易地获得这种期望的分层形态。2.与BHJ混合物相比,LbL混合物的3D几何形貌可实现更高的光吸收系数,从而改善电荷在活动层中生成。3.供体和受体之间合适的形态和界面可以有效地提供强电荷转移驱动力和同时电荷转移的小能量损失。同时,这种类似p-i-n的结构也有利于在适当的电极处的电荷传输和收集,从而可以进一步减少非成对的复合。4.具有合适的垂直相分离的LbL共混物表现出比BHJ共混物更稳定的形态。LbL方法更有利于降低有机太阳能电池的效率-稳定性差距,甚至是商业应用中BHJ方法的优越替代方案。

图2:LbL刮涂工艺的优点概图。

该研究工作得到了国家自然科学基金、“双一流”大学建设经费和武汉大学自主科研项目的支持。

论文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee02295c/unauth#!divAbstract