近日,RSC英国皇家化学会官方平台(微信号RSCChina)以“北工商光电材料与器件团队: 新型高效高稳赝双层三元有机太阳能电池”为题,对我校在高性能有机太阳能电池方面的研究工作进行亮点推送。
图1.北京工商大学在高效高稳有机太阳能电池方面取得重要进展
有机太阳能电池(organic solar cells, OSCs)因其材料来源广泛、质轻、便于制备柔性器件、可以通过喷涂、刮板印刷等工业化方法大面积制膜,具有良好的应用前景,受到了科研界和产业界的广泛关注。高效率的有机太阳能电池基本上都是基于体异质结(bulk heterojunction,BHJ)结构活性层制备的。在体异质结活性层形成过程中,给受体混合溶液快速沉积和干燥形成纳米级形貌,给受体材料随机分布。基于热动力学过程自发形成的活性层形貌通常难以获得最佳性能。研究发现采用逐层(layer-by-layer,LbL)沉积法制备的赝双层平面异质结(pseudo-bilayer heterojunction,PPHJ)有机光伏器件,可以分别对给体层、受体层进行优化,易于得到理想的活性层垂直相分离形貌,已展示出比传统体异质结器件更优异的性能。
基于此,北京工商大学李熊副教授联合北京交通大学马晓玲副教授、中科院化学所邹业研究员采用LbL法制备基于PM6/Y6非富勒烯体系OSCs,并引入富勒烯衍生物PC71BM作为第三组分进一步改善器件的光伏性能。赝平面异质结和三元策略的结合,富勒烯和非富勒烯受体的综合利用,协同将有机太阳能电池的能量转换效率(power conversion efficiency, PCE)从16.44%(PM6/Y6二元器件)提高到17.82%(PM6/Y6:PC71BM三元器件),且三元器件展示了更好的稳定性。该工作以题为“High-performance pseudo-bilayer ternary organic solar cells with PC71BM as the third component ”的论文发表在国际权威期刊Journal of Materials Chemistry A(中科院1区top期刊,影响因子:14.511)上,并被遴选为期刊的HOT Papers。北京工商大学为本论文第一通讯单位,人工智能学院研究生闫玉娇为论文的第一作者。
PC71BM较高的LUMO能级有利于提升器件的开路电压(VOC);同时PC71BM与PM6、Y6有比较好的能级匹配,PC71BM引入PM6/Y6活性层所产生的梯度能级,有利于电子传输。PC71BM与PM6,Y6表现出光谱互补特性(图2),从而有利于增强活性层对光的吸收,提升器件短路电流密度(Jsc)。光致荧光(PL)谱进一步表明,PC71BM、Y6双受体材料之间存在着从PC71BM到Y6之间的Förster 共振能量转移(FRET)。研究结果显示,与基于PM6/Y6的二元器件相比,引入PC71BM作为第三组分时,赝双层三元OSCs器件获得了17.82%的PCE,同时器件的VOC(0.855V)、JSC(26.82mA×cm-2)和填充因子FF(77.73%)均得到了改善。
图2. (a) PM6,Y6 和 PC71BM 的化学结构,(b)材料的能级结构示意图,(c) PM6,Y6 和 PC71BM 薄膜的吸收光谱,(d)Y6, PC71BM and Y6:PC71BM 薄膜的PL 谱,(e) 器件的 J-V曲线。
图3. PM6/Y6二元和PM6/Y6:PC71BM三元器件的(a)归一化TPC和(b) TPV衰减曲线, (c) V OC和(d) JSC与光强的关系。
借助于瞬态光电流/光电压衰减特性及VOC、JSC与光强的关系(图3),分析了器件的载流子传输与复合特性,研究表明PC71BM的引入减少了活性层中的陷阱中心,抑制了陷阱复合,从而有利于电荷传输与收集。在赝双层器件中,电子和空穴在各自独立的通道内被传输到相应的电极,PC71BM的引入进一步改善了电子传输特性,使空穴和电子的电荷传输更平衡,使得三元器件有更优异的性能。
利用接触角分析了材料的Flory–Huggins 相互作用参数(图4),表明PC71BM与PM6、Y6都具有较好的混溶性,在Y6层中引入PC71BM,PC71BM促使Y6扩散到PM6层并增加给/受体界面,改善给/受体的接触特性。进一步分析显示,PC71BM倾向于分布在PM6和Y6分子之间,从而在三元器件中形成梯度能级排列,促进电荷传输。
图4.纯PM6,Y6 和 PC71BM薄膜的接触角
图5. PM6/Y6二元和PM6/Y6:PC71BM三元器件的光伏参数衰减特性:(a)VOC,(b)JSC,(c)FF,(d)PCE.
对器件的稳定性进行测试,发现引入适量的PC71BM到PM6/Y6二元体系可以防止Y6过度聚合和结晶,减少器件性能退化与衰减。在氮气氛围下保存125天后,PM6/Y6二元器件的PCE衰减到初始性能的81.60%,而PM6/Y6:PC71BM三元的PCE保持在初始值的89.73%(图5)。
近年来,随着一系列新材料的开发与器件制备工艺的优化,有机太阳能电池的能量转换效率不断提升,使其在光伏建筑一体化、便携式能源、半透明器件等领域展示了巨大的应用潜力。进一步探索高性能有机光伏器件的制备工艺并改善器件的稳定性具有重要的实用意义。本研究将非富勒烯受体Y6与传统的富勒烯受体材料PC71BM相结合,通过逐层沉积法制备高效率、高稳定性的赝双层三元有机光伏器件,为获得具有实用价值的商用太阳能电池模块提供了重要的参考。
论文信息
l High-performance pseudo-bilayer ternary organic solar cells with PC71BM as the third component
Yujiao Yan, Xuejiao Zhou, Fenghua Zhang, Jun Zhou, Tao lin, Yaohui Zhu, Denghui Xu*, Xiaoling Ma*, Ye Zou and Xiong Li*
Journal of Materials Chemistry A, 2022
https://doi.org/10.1039/D2TA04784E
l RSC英国皇家化学会微信公众号链接:
https://mp.weixin.qq.com/s/g7W4gZg713BI7jBrDRifdA
附作者简介:
闫玉娇,本文第一作者,北京工商大学 2020 级硕士研究生,主持北京工商大学科研能力提升计划项目 1 项,参与国家自然科学基金 1 项,主要从事逐层法制备高效率有机太阳能电池的研究。
李熊,本文通讯作者,北京工商大学副教授,研究生导师,致力于有机光伏器件的性能优化与机理研究,通过活性层形貌调控、界面修饰等途径研发基于新机理的高效率有机光伏器件。主持和参与国家自然科学基金等项目 10 多项,发表 SCI 论文 50 多篇,出版专著 1 部,公开和授权发明专利 3 项。2020 年获北京工商大学优秀教师、优秀研究生导师,2021 年获北京工商大学优秀硕士论文指导教师。