中科院青岛能源所The Innovation:侧链微调控诱导双通道电荷传输实现高效厚膜有机太阳能电池

引言 有机太阳能电池(OSCs)由于具有轻量化、柔性、可溶液法大面积制备等优点,成为光伏领域的重要研究方向之一,特别是2015年以来新型小分子非富勒烯受体的出现极大地推动了OSCs的发展。然而目前报道的绝大多数的高性能电池均是基于~100 nm厚的活性层,对于


弁言


有机太阳能电池(OSCs)由于具有轻量化、柔性、可溶液法大面积制备等优点,成为光伏领域的主要研究偏向之一,特别是2015年以来新型小分子非富勒烯受体的泛起极大地推动了OSCs的生长。然而现在报道的绝大多数的高性能电池均是基于~100 nm厚的活性层,对于面向应用的高性能厚膜器件报道较少。决议OSCs光伏效率的焦点组件是电子给受体质料共混而成的本体异质结(BHJ)活性层,电池内部的光生激子天生与迁徙、激子解离、电荷传输与复合等要害物理历程均依托于BHJ举行。在~100 nm厚的活性层中,光子激子解离后可以高效地传输到给受体界面并被网络,而在厚膜器件中,电荷传输历程中会发生严重的复合损失,从而严重降低OSCs的填充因子FF和最终效率。因此,若何改善厚膜BHJ中电荷传输是一个亟待解决的科学问题。

功效先容


最近,中科院青岛能源所-包西昌研究员和李永海副研究员团队基于其前期开发的柔性侧链-位阻末尾基础上,进一步对柔性烷基碳数举行微调控,以优化分子聚积和本体异质结形貌(图1)。研究发现,x=5和x=6时质料结晶性降低,造成吸收光谱蓝移。意外的是,中心烷基碳数的IDIC-C5Ph具有最弱的薄膜结晶性和最宽的光学带隙。尽管如此,单晶X射线衍射剖析发现x=5时质料有区别于另外两个侧链截然差别的分子聚积方式。其诱导分子共轭主骨架发生两种正交的分子取向,分子排列出现怪异的网络结构,具有更多的π-π作用位点,可望实现高效的双通道电荷传输(TCCT)(图2)。针对x=5时IDIC-C5Ph质料展示出的弱薄膜态结晶性,科研人员通过多种后处置方式(热退火TA、热辅助溶剂退火TA-SVA)增强薄膜的结晶性(图3)。通过掠入射广角X-射线衍射(GIWAXS)发现三种质料对后处置方式具有差别的响应。对于IDIC-C5Ph而言,TA-SVA极大地增强了薄膜结晶性,诱导薄膜形成大量微晶,吸收光谱红移。TA-SVA优化后基于IDIC-C5Ph的活性层中π-π聚积强度更高且聚积距离更小,有利于分子间电荷高效传输。高分辨透射电镜(TEM)也进一步证实了这一纪律。
光伏性能效果(图4)解释,IDIC-C5Ph器件经TA-SVA处置后,填充因子FF高达80.02%,且EQE大幅红移,器件转换效率PCE到达14.56%。高达80%的FF也是通例OSC器件中的最高值之一,反映了活性层内部优越的激子星散/电荷传输性能以及低的复合损失,大幅提高的FF归功于活性层内形成了具有TCCT的受体纳米晶域。考虑到TCCT特征在电荷传输及抑制复合方面的优势,构建了差别活性层厚度的系列光伏器件(图5)。通例单通道电荷传输IDIC-C4Ph器件,在膜厚105 nm时具有较高的FF(78.05%)和PCE,随着厚度增添,FF降低显著(300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65.26%),但厚膜OSCs的FF和PCE仍然高于绝大多数报道的数据,反映了此类侧链结构(烷基侧链-芬芳末尾)在调控BHJ形貌方面的优势。更有意思的是对于IDIC-C5Ph器件而言,在低膜厚115 nm时FF高达80.02%,随着膜厚增添,在307 nm时FF仍然高达75%,媲美大多数报道的低膜厚器件数据。在高达470 nm时,FF依然大于70%,PCE到达13%,体现了TCCT特征在厚膜OSCs研究中的优势。相关研究功效以“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics”为问题揭晓在Cell Press旗下的期刊The innovation.

图文导读


图1. 质料侧链调控与基本性子

图1. (A)质料设计与思绪;(B-C)吸收光谱;(D)分子轨道能级;(E)GIWAXS二维图
图2. 单晶中分子聚积方式

图2. 单晶剖析与分子聚积方式(烷基链隐藏)
图 3. 质料薄膜处置前后的GIWAXS谱图

图3. 质料薄膜处置前后的GIWAXS二维图(A-C, E-G, I-K)和一维线图(D、H、L)
图 4. 光伏性能研究

图4. (A-C) J-V曲线;(D-F) FF值统计图;(G-I) EQE曲线
图 5. 厚膜OSCs性能及对比研究

图5. (A、B)基于IDIC-C4Ph和IDIC-C5Ph的厚膜器件性能;(C、D)该事情与文献参数对比 

小结


综上所述,该研究通过微调烷基碳数及合理后处置,在受体质料中诱导形成了怪异的双通道电荷传输(TCCT)特征。TCCT分子聚积可以更高效地传输载流子,抑制电荷传输历程中的双分子复合,提高OSCs的FF(>80%)以及光电转换效率,并在厚膜OSCs中展现出优越的应用远景(FF>70%, PCE>13%)。该研究解释非共轭侧链对分子自组装方式具有主要影响,值得进一步深入研究。
该事情于2021年2月6日在The Innovation第二卷第一期正式刊出揭晓。The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press配合开办的综合性英文学术期刊,现在有163位编委会成员,来自20个国家;45%编委来自外洋;包罗1位诺贝尔奖获得者,26位各国院士;领域笼罩所有自然科学。The Innovation于2020年5月20日创刊面世,现在即时指数(immediacy index)为3.571,约相当于影响因子16 (IF=16)。
本文链接:
https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00015-1#

团队在该领域的近期事情


近年来,中科院青岛能源所包西昌研究员和李永海副研究员研究组(先进有机功效质料与器件团队),在有机光伏器件形貌调控和器件稳定性及柔性方面取得系列希望。研究效果解释团队设计的柔性侧链-位阻末尾的结构设计可以很好的调控活性层质料的群集特征1-2,在涉及系统的器件中均表现出改善的填充因子和效率,同时在三元器件中亦表现出优异的通用性3-5;此外生长的“网格限域”观点显著提升有机光伏器件的稳定性和柔性6
1. Y. Li*, N. Zheng, L. Yu, S. Wen, C. Gao, M. Sun, R. Yang*, Adv. Mater. 2019, 31, 1807832.
2. C. Han, H. Jiang, P. Wang, Y. Lu, J. Wang, J. Han, W. Shen*, N. Zheng, S. Wen, Y. Li*, X. Bao*, Mater.Chem.Front. 2021, DOI: 10.1039/D0QM01037E.
3. H. Jiang, X. Li, J. Wang, S. Qiao, Y. Zhang*, N. Zheng, W. Chen*, Y. Li*, R. Yang*, Adv. Funct. Mater. 2019, 29,1903596.
4. H. Jiang, X. Li, H. Wang, Z. Ren, N. Zheng*, X. Wang, Y. Li*, W. Chen*, R. Yang*, Adv.Sci.2020, 7, 1903455.
5. H. Jiang, C. Han, Y. Li*, F. Bi, N. Zheng, J. Han, W. Shen, S. Wen, C. Yang, R. Yang*, X.Bao* , Adv. Funct. Mater., 2020,30, 2007088.
6. J. Han, F. Bao, D. Huang, X. Wang, C. Yang*, R. Yang*, X. Jian, J. Wang*, X. Bao*, J. Chu, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2003654.

团队先容


包西昌,中国科学院青岛生物能源与历程研究所,研究员、课题组长,中国科学院青年创新促进会会员,研究偏向主要包罗光电质料与器件,纳米功效质料方面的研究与应用。
E-mail: 
[email protected]
个人主页:
http://afm.qibebt.ac.cn/kytd/tdfzr.htm
李永海,2014年博士结业于中科院化学研究所-张德清先生课题组,现为中国科学院青岛生物能源与历程研究所副研究员,“清源学者”青年人才,中国科学院青年创新促进会会员,主要研究领域为有机太阳能电池。
个人主页:
https://publons.com/researcher/L-7091-2019/
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