科研动态|我院科研人员在大面积印刷有机太阳能电池取得重要进展
2020-08-20 13:50:48

有机太阳能电池因为其柔性、质轻、可以溶液法加工等特点长期以来受到广泛的关注。得益于非富勒烯受体的快速发展,有机太阳能电池单节效率已经突破18%。然而目前高性能的器件大多通过实验室中小面积旋涂成膜制备得到,为了进一步适应商业化应用的要求,发展大面积印刷加工技术迫在眉睫。狭缝挤出成膜结合卷对卷加工是最有望实现有机太阳能电池大面积印刷的技术。不同于旋涂加工的溶剂快速蒸发成膜过程,加上剪切力的作用,印刷加工的成膜过程是个缓慢且复杂的过程,容易造成薄膜内部的结晶和相分离尺寸过大,从而降低器件性能。因此,如何调控印刷加工过程的聚集/结晶动力学获得合适的结晶和相分离形貌是制备高性能印刷电池器件的关键。然而在有机太阳能电池领域,通过印刷加工动力学调控活性层形貌制备高性能有机太阳能电池的策略鲜有报道。

西安交通大学金属材料强度国家重点实验马伟课题组近期通过原位表征技术(原位膜厚表征,原位吸收光谱表征,原位广角X射线散射表征)对印刷加工过程中薄膜的结构演变进行了详细研究,通过平衡给受体的成膜聚集/结晶动力学优化形貌制备了高性能印刷有机太阳能电池器件。课题组首先研究了刮涂这种实验室大面积印刷加工的原型工具的成膜过程形貌演变。研究发现,在刮涂制备PBDB-T:FOIC体系的器件时,受体FOIC的结晶性过强导致器件性能变差,通过先预沉积一层薄的PBDB-T:IT-M层,可以在加工PBDB-T:FOIC这一主体系时为给体PBDB-T的结晶提供大量聚合物晶核,同时抑制受体FOIC的结晶,使得给受体结晶动力学更平衡,从而获得了最高11.9%的光电转换效率(PBDB-T:FOIC体系为10.5%)。课题组进一步对狭缝挤出成膜过程进行了细致的表征,通过改变加工温度实现对狭缝挤出成膜加工动力学过程的有效调控。研究发现,在PM7:IT4F体系中,使用60 oC溶液加工可以有效地平衡给受体的聚集速率,从而抑制了过大的相分离,促进了激子的解离;而使用60 oC基底加工可以有效平衡给受体的结晶形核和长大速率,从而尽可能的提高结晶度,促进了载流子的传输,最终获得了13.2%的印刷器件效率。课题组将这一工艺-形貌-性能构效关系应用到高效的PM6:Y6体系,调节加工温度在使用含卤溶剂(氯苯)和绿色溶剂(二甲苯、三甲苯)加工时获得相似的动力学过程(给受体聚集/结晶动力学平衡),从而获得和旋涂加工相媲美的印刷器件效率,同时也是目前印刷加工二元有机太阳能电池器件的最高光电转换效率(15.6%)。课题组关于印刷加工聚集/结晶动力学调控以及印刷工艺-形貌-性能构效关系的研究对今后有机太阳能电池的大面积印刷加工有着重要指导意义。

 相关工作发表在Adv. Energy Mater. (先进能源材料),Energy & Environ. Sci.(能源环境科学)和Adv. Mater. (先进材料)上。这三篇高水平论文的第一作者分别是博士生王艺林,林保均,赵恒。马伟教授为三篇论文的通讯作者。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室均为第一单位。该研究得到了东华大学唐正教授,慕尼黑工业大学Peter Muller-Buschbaum教授的支持。该研究得到科技部重点计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、西安交通大学基本科研业务费,德国电子加速器研究所(DESY)的支持。

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202000826

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee00774a#!divAbstract

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002302

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