成都理工大学彭强&邓敏Adv. Sci.：设计多功能固体添加剂来独立调节给体层和受体层

转自有机太阳能电池研读社

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背景简介

聚合物太阳能电池（PSCs）因其采用溶液处理和成本效益高的方式生产轻质、大面积、半透明和柔性器件而受到关注。材料设计和器件工程的巨大进步使PSCs通过使用Y6型非富勒烯小分子受体（NF-SMAs）实现了20%的功率转换效率（PCE）。尽管取得了这些成就，与低能量损失相比仍存在显着差距（Eloss ≤ 0.4 eV）无机太阳能电池，表明如果持续降低Eloss，预计PSCs中有相当大的PCE空间将进一步改善。正如我们所知，PSCs中的Eloss来自三个部分：ΔE1、ΔE2和ΔE3，其中ΔE1和ΔE2分别表示光学带隙以上和光学带隙以下的辐射复合能量损耗，ΔE3是非辐射复合能量损耗。ΔE2和ΔE3是总Eloss的主要部分，因此，降低ΔE2和ΔE3对于降低损耗至关重要。合理设计光伏材料的新型高效化学结构可以降低ΔE2和/或ΔE3，但总是伴随着更复杂和劳动密集型的合成工艺。除了正在进行的材料合成工程，近年来，探索新的器件制造工艺已成为实现低损耗和高性能PSCs的重要而有效的方法。其中，逐层（LBL）沉积工艺和固体添加剂的使用是目前最有效和创新的策略。

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文献摘要

固体添加剂在逐层 （LBL） 聚合物太阳能电池 （PSCs） 中至关重要。尽管固体添加剂很重要，但同时将固体添加剂应用于供体层和受体层在很大程度上被忽视了。在这项工作中，积极设计了两种多功能固体添加剂，并研究了对供体层和受体层的协同效应。将多功能固体添加剂掺入供体层可以有效增强供体聚合物的聚集和分子堆叠，从而减少能量无序并最小化 ΔE2。当多功能固体添加剂被引入受体层时，它们只是在优化形貌方面发挥作用，从而降低 ΔE3。令人兴奋的是，将多功能固体添加剂同时添加到供体层和受体层中，产生了同时降低 ΔE2 和 ΔE3 的协同效应，尤其是添加 SA2，从而实现了 19.95% 的出色功率转换效率 （PCE）（认证为 19.68%），开路电压 （VOC） 为 0.921 V，短路电流密度 （JSC） 为 27.08 mA cm-2，填充因子 （FF） 为 79.98%。这项工作强调了多功能固体添加剂在独立调节供体层和受体层特性方面的潜力，这有望成为进一步开发更高性能 PSCs 的一种有前途的方法。

图1. a）多功能固体添加剂L8-BO和D18的化学结构。b）多功能固体添加剂的合成路线。c）LBL PSCs的活性层形成的示意图。

图2.a）固态薄膜中有或没有多官能固体添加剂的D18和L8-BO的UV-vis-NIR吸收光谱。b）固态薄膜中有或没有多官能固体添加剂的D18和L8-BO的归一化UV-vis-NIR吸收光谱。c、d）J-V曲线和 e，f）基于二元共混物的最佳性能装置的EQE曲线。g）PSCs装置在吸收开始时的FTPS-EQE。h）PSCs的EQEEL曲线。i）PSCs的能量损失图。

图3. a）基于AM 1.5G照明的最佳二元和三元OSCs的J-V曲线，100 mW cm-2。b）相应OSCs的EQE曲线。c）基于二元和三元OSCs的OSCs的Jph与Veff。d）相应OSCs的JSC值的光强度依赖性。e）相应OSCs的VOC值的光强度依赖性。f）二元和三元器件的电荷迁移率。

图3. a-g）性能最佳的共混物膜的飞秒瞬态吸收光谱。h）在600 nm处探测的性能最佳的共混物膜的衰减动力学。i）共混物膜的τ1，h和τ2，h的总结和比较。

图4. a）共混膜的GIWAXS图像。b）对应的面外线切割（红线）和面内线切割（黑线）以及来自（a）的。

图5. 共混膜的AFM图像和PiFM图像。顶部：表面高度图像;中部：轻敲相位图像;底部：PiFM图像。

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器件工艺

PSCs 器件采用玻璃基板/ITO/2PACz/g给体/受体/PNDIT-F3N/银的传统结构制造。依次用肥皂水、丙酮和异丙醇清洗 ITO 玻璃后，再用紫外臭氧处理 25 分钟。2PACZ 层是在含有 2PACZ （1 mg ml-1）的乙醇溶液中以 3000 rap的速度旋涂而成的，然后在 80 ℃下退火 5 分钟。将 D18（5 mg ml-1，氯仿）溶液或 D18 与 2% 重量比的 SA1 或 SA2 的混合溶液旋涂在基底上，形成厚度约为 60 nm的供体层。在供体层的顶部旋涂 L8-BO（7.5 mg ml-1 的氯仿）溶液或 L8-BO 与 6% 重量比的 SA1 或 SA2 的混合溶液，厚度约为 40 nm。然后，基底在 80 ℃下退火 6 分钟。PNDIT-F3N 从 0.5 mg mL-1 的甲醇溶液中通过旋涂沉积到活性层上。银电极（约 100 nm）是在真空中通过热蒸发沉积的。