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西工大劉劍剛教授團(tuán)隊(duì) AEM：控制第三組分分布實(shí)現(xiàn)高性能三元有機(jī)太陽(yáng)能電池
2025-03-10  來(lái)源：高分子科技

  基于福斯特能量轉(zhuǎn)移的三元有機(jī)太陽(yáng)能電池（T-OSCs）可顯著提高活性層的光吸收能力，從而改善其能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）。研究發(fā)現(xiàn)，由于能量轉(zhuǎn)移效率（EFRET）會(huì)隨著能量給體和能量受體之間距離的增加而急劇下降，因此，只有能量給體和能量受體的間距較小時(shí)，才能產(chǎn)生較高的能EFRET。然而，能量給體和能量受體在活性層內(nèi)的隨機(jī)分布導(dǎo)致兩者的距離較大；此外，不可控的組分分布還容易破壞活性層的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，優(yōu)化第三種成分的分布可以顯著改善光物理性質(zhì)，提高器件性能。


  對(duì)基于PM6:Y6:IBC-F的T-OSCs而言，能量給體為IBC-F，能量受體為PM6。因此，使IBC-F分布在PM6相中對(duì)于最大限度地利用活性層的光子收集能力進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過(guò)程至關(guān)重要；诖，西北工業(yè)大學(xué)劉劍剛教授團(tuán)隊(duì)提出了一種定位沉積策略，以PM6:Y6:IBC-F體系為例，先將能量給體IBC-F和能量受體PM6混合后制備成膜，然后在其上沉積受體組分Y6，從而構(gòu)筑第三成分分布可控的體相異質(zhì)結(jié)（CDBHJ）,如圖1（a）所示。結(jié)果表明，在體相異質(zhì)結(jié)（BHJ）活性層中，僅有25.1%的IBC-F分布在PM6相中，相應(yīng)的EFRET只有46.5%。相比之下，在CDBHJ薄膜中，PM6相區(qū)內(nèi)IBC-F的含量上升至72.7%，EFRET增加到66.8%。與此同時(shí)，定位沉積策略還可以協(xié)同優(yōu)化活性層的結(jié)晶和相分離動(dòng)力學(xué)行為，形成以高結(jié)晶度、低缺陷態(tài)密度和適當(dāng)垂直相分離為特征的活性層形貌；诖，CDBHJ的T-OSCs的PCE和JSC× FF的值分別達(dá)到18.29%和21.45，顯著高于BHJ器件的相應(yīng)參數(shù)。該項(xiàng)研究有力證實(shí)了定位沉積策略在精準(zhǔn)調(diào)控第三種成分分布上具備顯著成效，為提升T-OSCs性能提供了全新的解決思路與技術(shù)支撐。


圖1. （a）定位沉積示意圖。BHJ和CDBHJ薄膜中（b）F 1s、（c）N 1s 和（d）S 2p 的動(dòng)態(tài)X射線光電子能譜圖像。（e）相對(duì)分子數(shù)量（RMN）的縱向分布。（f-h）在532 nm光源激發(fā)下BHJ和CDBHJ薄膜的Raman Mapping圖。（i）IBC-F在BHJ和CDBHJ薄膜中的分布圖（黃色和藍(lán)綠色代表PM6:IBC-F和Y6:IBC-F共混相）和含量百分比（紅色代表PM6:IBC-F和藍(lán)色代表Y6:IBC-F共混相）。


圖2. （a）BHJ和CDBHJ薄膜在465 nm光源激發(fā)下的時(shí)間分辨熒光（TRPL）光譜。（b）BHJ薄膜和（c）CDBHJ薄膜在475 nm光源激發(fā)下的瞬態(tài)吸收（fs-TA）光譜。


圖3. （a）基于深度依賴吸收光譜模擬的激子數(shù)量分布。（b）激子生成速率縱向變化曲線。（c）BHJ器件和CDBHJ器件的Jph-Veff 曲線。（d）BHJ薄膜和（e）CDBHJ薄膜在750 nm光源激發(fā)下的fs-TA光譜,（f）635和850 nm處基態(tài)漂白信號(hào)時(shí)間變化曲線。


圖4. （a）二維GIWAXS圖，（b）相應(yīng)的面外（OOP）和面內(nèi)（IP）方向的一維強(qiáng)度曲線。（c）層狀堆積（100）和π-π堆積（010）峰的極圖。（d）BHJ和CDBHJ薄膜的Urbach能。


圖5.（a）最優(yōu)的BHJ器件和CDBHJ器件的J-V曲線和（b）EQE曲線。（c）16個(gè)器件的PCE直方圖。（d）本文與文獻(xiàn)報(bào)告中基于PM6:Y6的T-OSCs的比較（PCE與JSC × FF）。（e）最優(yōu)的BHJ 器件和CDBHJ器件的VOC -Plight和（f）JSC-Plight曲線。（g）BHJ-Device和 CDBHJ-Device的光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。（h）活性面積為1.21cm2的OSCs的J-V曲線。（i）其他四個(gè)代表性體系中BHJ-Device和CDBHJ-Device的PCE。


  該工作以“Controlling the Third Component Distribution Toward High-Efficient Ternary Organic Solar Cells”為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Advanced Energy Materials》上。文章的通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)劉劍剛教授、梁秋菊副教授和苗宗成教授，第一作者是西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院博士研究生張鈺通。本研究得到陜西省杰出青年、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。


  全文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202406136


  下載：Controlling the Third Component Distribution Toward High-Efficient Ternary Organic Solar Cells

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