▲论文DOI：10.1002/smll.202104215近来，得益于新型有机半导体材料和器件工程的发展，体异质结聚合物太阳能电池领域取得了重大进展，能量转换效率已经达到19%。三元策略可以协同优化有源层的光子俘获、相分离、降低能量损失等，被认为是一种能够有效提升聚合物太阳能电池性能的方法，在提高聚合物太阳能电池性能方面有着重要的地位。准平面异质结有利于形成垂直相分离，提高电荷收集效率，而且给体层、受体层之间相互渗透将有利于激子的解离，进而制备出高效率准平面异质结聚合物太阳能电池。准平面异质结聚合物太阳能电池为深入研究激子和载流子动力学过程提供了新机遇，特别是人们对有机半导体薄膜中激子扩散距离的认识。最近，北京交通大学张福俊教授课题组利用三元策略制备出高性能准平面异质结和体异质结聚合物太阳能电池，相关成果已在Small上发表。有源层采用的给/受体材料分别为PM6、N3和MF1，其分子结构、能级和吸收光谱如图1所示。作者将MF1作为第三组分引入PM6、N3二元体系，可以将准平面异质结聚合物太阳能电池的效率从15.93%提升到16.75%，体异质结聚合物太阳能电池的效率从16.04%提升到16.76%。MF1的引入优化了有源层的分子排布和相分离。相比于体异质结聚合物太阳能电池，准平面异质结聚合物太阳能电池中的电荷复合能被有效抑制，有利于载流子的传输与收集。通过采用三元策略，准平面异质结和体异质结聚合物太阳能电池的性能都能得到提升，进一步证实了三元策略的普适性。通过改变受体中MF1的含量制备一系列准平面异质结和体异质结聚合物太阳能电池，其J-V曲线如图2所示。与体异质结聚合物太阳能电池相比，准平面异质结聚合物太阳能电池有较大的JSC，主要归因于其电荷再复合受到了抑制。基于PM6、MF1二元体系聚合物太阳能电池具有较大的VOC，三元聚合物太阳能电池的VOC随着受体中MF1含量的增加而增大，这一现象可以利用合金模型得到很好的解释。引入高结晶度的MF1可以优化相分离，受体中MF1的含量为15 wt%时，三元准平面异质结和体异质结聚合物太阳能电池的FF可分别达76.95%和77.52%。研究了光生电流与有效偏压的关系，所有器件的光生电流在0.3 V有效偏压下都会达到饱和状态，说明电荷在两种有源层中可以有效地传输和收集。准平面异质结聚合物太阳能电池中能形成更好的垂直相分离，其电荷收集效率明显高于体异质结聚合物太阳能电池，由光生电流与有效偏压的曲线的斜率可以得到证明。为了研究不同MF1含量以及不同器件结构对混合薄膜中分子排布和结晶度的影响，表征了混合薄膜的掠入射广角X射线散射。与基于PM6和N3的二元薄膜相比，三元薄膜在OOP方向的010衍射峰和IP方向的100衍射峰都表现出更高的强度，表明三元薄膜中分子排布更有序，这有利于三元器件中电荷传输更加平衡。准平面异质结薄膜较大的结晶相干长度(CCL)很好地解释其较高的迁移率。▲图4. PM6、N3、MF1纯膜以及混合薄膜的掠入射广角X射线散射曲线
为了进一步研究加入MF1对共混膜形貌相分离的影响，通过TEM对受体中不同MF1含量的共混膜形貌进行表征，如图5所示。通过加入适当的MF1作为形貌调节剂，可以调节共混膜的相分离程度，这表明三元策略是优化准平面异质结和体异质结形貌的有效方法。本研究中，制备了一系列准平面异质结和体异质结聚合物太阳能电池。两种结构的三元聚合物太阳能电池性能提升的主要原因是分子排布更有序和分子结晶度更高。准平面异质结聚合物太阳能电池中更好的垂直相分离，有利于电荷在给体和受体层中传输和收集。这表明三元策略和准平面异质结是提高聚合物太阳能电池性能的有效方法。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202104215
目前评论：