中科院青岛能源所：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

来源：材料人

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，对于面向应用的高性能厚膜器件报道较少。决定OSCs光伏效率的核心组件是电子给受体材料共混而成的本体异质结（BHJ）活性层，电池内部的光生激子生成与迁移、激子解离、电荷传输与复合等关键物理过程均依托于BHJ进行。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收集，而在厚膜器件中，电荷传输过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，如何改善厚膜BHJ中电荷传输是一个亟待解决的科学问题。

成果介绍

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-位阻末端基础上，进一步对柔性烷基碳数进行微调控，以优化分子堆积和本体异质结形貌（图1）。研究发现，x=5和x=6时材料结晶性降低，造成吸收光谱蓝移。意外的是，中间烷基碳数的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射线衍射分析发现x=5时材料有区别于另外两个侧链截然不同的分子堆积方式。其诱导分子共轭主骨架产生两种正交的分子取向，分子排列呈现独特的网络结构，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材料展示出的弱薄膜态结晶性，科研人员通过多种后处理方式（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）发现三种材料对后处理方式具有不同的响应。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堆积强度更高且堆积距离更小，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规律。

光伏性能结果（图4）表明，IDIC-C5Ph器件经TA-SVA处理后，填充因子FF高达80.02%，且EQE大幅红移，器件转换效率PCE达到14.56%。高达80%的FF也是常规OSC器件中的最高值之一，反应了活性层内部良好的激子分离/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特性在电荷传输及抑制复合方面的优势，构建了不同活性层厚度的系列光伏器件（图5）。常规单通道电荷传输IDIC-C4Ph器件，在膜厚105 nm时具有较高的FF（78.05%）和PCE，随着厚度增加，FF降低明显（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，反应了此类侧链结构（烷基侧链-芳香末端）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%，随着膜厚增加，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达到13%，体现了TCCT特性在厚膜OSCs研究中的优势。相关研究成果以“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics”为题目发表在Cell Press旗下的期刊The Innovation.

图文导读

图1. 材料侧链调控与基本性质

图1. （A）材料设计与思路；（B-C）吸收光谱；（D）分子轨道能级；（E）GIWAXS二维图

图2. 单晶中分子堆积方式

图2. 单晶解析与分子堆积方式（烷基链隐藏）

图 3. 材料薄膜处理前后的GIWAXS谱图

图3. 材料薄膜处理前后的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）该工作与文献参数对比 

小结

综上所述，该研究通过微调烷基碳数及合理后处理，在受体材料中诱导形成了独特的双通道电荷传输（TCCT）特性。TCCT分子堆积可以更高效地传输载流子，抑制电荷传输过程中的双分子复合，提高OSCs的FF（>80%）以及光电转换效率，并在厚膜OSCs中展现出良好的应用前景（FF>70%, PCE>13%）。该研究表明非共轭侧链对分子自组装方式具有重要影响，值得进一步深入研究。

该工作于2021年2月6日在The Innovation第二卷第一期正式刊出发表。The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press共同创办的综合性英文学术期刊，目前有163位编委会成员，来自20个国家；45%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation于2020年5月20日创刊面世，目前即时指数(immediacy index)为3.571，约相当于影响因子16 (IF=16)。

团队在该领域的近期工作

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（先进有机功能材料与器件团队），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进展。研究结果表明团队设计的柔性侧链-位阻末端的结构设计可以很好的调控活性层材料的聚集特性1-2，在涉及体系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；此外发展的“网格限域”概念显著提升有机光伏器件的稳定性和柔性6。