首页「博9娱乐」首页？有机太阳能电池（OSCs）由于其固有的灵活性、成本效益和溶液可加工性，受到光伏研究界的关注。在过去的几年里，新型分子剪裁和精密设备工程的共同努力已经实现了功率转换效率（PCE）的大幅度提升。尽管实现了高效率，但是，目前还没有很轻易转化为工业化的高通量生产。对于实验室最先进的OSC器件，活性层的最佳厚度通常被限制在100-120 nm，这会导致入射光子通量的利用不足。此外，在放大制造过程中，获得无缺陷且均匀的薄膜非常不易，并且活性层的厚度一般可达数百纳米。因此，开发具有高厚度公差的高效OSCs是从实验室到晶圆厂制备光伏器件的必备条件。
开发高效厚度不敏感的有机太阳能电池（OSCs）对太阳能电池板的大规模生产至关重要。然而，增加活性层厚度通常会导致效率损失巨大。近日，中国科学院大学Hui Huang采用三元策略来打破这一困境，将低聚物DY-TF作为客体组分掺入PM6:L8-BO系统中。主链中S···F分子内非共价相互作用使DY-TF具有较高的平面性。在添加DY-TF后，共混物的结晶度得到有效提高，导致电荷载流子迁移率增加，这在厚膜器件的制造中非常理想。结果显示，性能最好的PM6:L8-BO:DY-TF器件（110nm）显示19.13%的高功率转换效率（PCE）。令人印象深刻的是，当活性层厚度增加到300 nm时，实现了18.23%的效率（证实为17.8%），开路电压（Voc）为0.884 V，短路电流（Jsc）为27.80 mA cm-2，填充因子（FF）为74.18%，这是迄今为止报道的300 nm厚OSCs的最高效率。进一步将厚度增加到500 nm，仍然有15.91%的高PCE。此外，大面积（1 cm2）和叶片涂覆厚器件（300 nm）OSC分别提供15.49%和17.38%的有前景的PCE。这项工作为构建具有高厚度公差的高效OSCs带来了新的见解，在大面积太阳能电池的卷对卷印刷方面显示出巨大的潜力。
图1.（a）供体和受体材料的化学结构；（b）PM6、L8-BO和DY-TF薄膜的紫外-可见吸收光谱；（c）PM6:L8-
通过瞬态吸收（TA）光谱测量研究了厚膜内部的电荷产生动力学。二元和三元厚膜的TA光谱的2D彩图如图2a-c所示，在不同时间延迟下相应TA光谱如图2D-f所示。在约800 nm激发时，在630和820 nm处观察到供体和受体的基态漂白（GSB）信号，在920和1550 nm处发现激发态吸收（ESA）信号。与纯受主膜相比，混合膜中的分子内激发（i-EX）态的衰变寿命缩短。
从图3a可以看出，所有共混物都呈现出均匀的原纤维形态，这有利于电荷传输。在PM6:L8-BO薄膜中加入DY-TF后，三元共混物的形貌得到了优化（原纤维形态明显），分散性较好，均方根值(RMS)从1.27 nm提高到1.33 nm。纯PM6膜显示出混合取向，在qz=1.666 Å−1处沿平面外（OOP）方向有一个(010) π-π堆积峰，在qxy=0.279 Å−1处有一个明显的层状峰。纯L8-BO和DYTF薄膜在qz=1.709 Å−1处显示出强的(010) π-π堆积峰，在0.440 Å-1处有面内（100）衍射峰，表明它们相对于衬底的取向上具有优先面。尤其在L8-BO中加入少量DY-TF后，主体受体的q位得以维持，而与层状堆积和π-π堆积峰相关的晶体相关长度（CCLs）均增加。这说明第三组分的掺入赋予L8-BO更好的结晶度和更高的分子有序度。共混膜表现出多晶结构，具有混合面和边缘取向。随着第三组分的加入，与层状堆积峰相关的CCL从86.071 Å提高到88.123 Å，并且π-π堆积峰的CCL也从21.518 Å增加到23.015 Å。GIWAXS结果表明，三元共混物提高了分子结晶度，有助于厚膜OSCs内部的电荷传输。
图3.（a）AFM高度图像；（b）2D GIWAXS图；（c）IP（虚线）和OOP（实线）提取的相应二元和三元共混物的线-BO:DY-TF的模拟结果如图4所示。在PM6∶L8-BO膜中加入DY-TF后，PM6和L8-BO之间的质心（COM）距离减小，从PM6:L8-BO膜约2.10 nm减小到PM6:L8:DY-TF膜1.16 nm，表明PM6:L8-BO:DY-TF膜的分子堆叠比PM6:L8-BO膜的分子堆积更紧密（图4c）。加入DY-TF后，与PM6:L8-BO膜相比，质量密度的波动相对较小，表明三元薄膜比主体二元薄膜具有更均匀的密度分布（图4d）。三元薄膜的紧密堆叠和均匀密度分布被认为有利于电荷传输行为。
总之，本研究构建了一系列具有良好厚度公差的高效三元OSCs。选择PM6:L8-BO作为宿主二元体系，并使用低聚物DY-TF作为第三组分。结果表明，引入第三组分后，有效改善了三元共混物的结晶度和分子堆积。总体而言，增强的电荷传输、抑制的复合和促进的激子离解导致了三元OSCs的高光伏性能。令人印象深刻的是，在300 nm厚的PM6:L8-BO:DY-TF器件中实现了18.23%的最高PCE，其保持了相应薄膜器件（110 nm）的95.3%，而500 nm厚的器件也表现出15.91%的有前景的PCE。更重要的是，大面积（1 cm2）和叶片涂覆厚膜OSC分别提供15.49%和17.38%的优异PCE。这项工作消除了在活性层厚度增加时较大的效率变化，预示着OSCs的实际生产将有一个更光明的未来。文献链接：
