广西大学阚志鹏教授Adv. Sci.：固体添加剂联合顺序沉积法调控光伏活性层垂直相分离实现18.5%效率的有机太阳能电池

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前言回顾

有机太阳能电池（Organic Solar Cells，OSCs）由C、H、O、N、F、S等常见的有机元素制成，原材料便宜、丰富、易回收利用，具有低成本、质量轻、超薄和易于大面积制备等诸多优点，易于进行物理改性，可通过多种途径改善器件的光子俘获能力、电荷传输能力及电子提取能力。除了开发新型光活性层材料外，调节活性层的微观结构形貌和聚集状态对于进一步开发高性能有机太阳能电池至关重要。目前已经提出了许多策略来提高光活性层的结晶度并调控相分离行为从而提高有机太阳能电池的光伏性能。常见的光活性层形貌调控手段主要包括：热退火、溶剂退火和添加剂（固体/液体）等。光活性层中给、受体之间合适的相分离形貌结构是实现高效有机太阳能电池的关键因素。

为了实现理想的垂直相分布，顺序沉积法联合固体添加剂（热退火辅助）协同对光活性层形貌进行调控和垂直相分离优化。由于给体（D）和受体（A）材料的沉积可以独立进行，形成有利的垂直相分布和改进的薄膜形态，从而提供足够的D/A界面面积和电荷载流子的直接传输路径。因此，顺序沉积光活性层薄膜的最佳垂直形态可以减少能量损失，提供优异的电荷传输和提取，进而获得理想的开路电压（VOC）、短路电流密度（JSC）和填充因子（FF），最终提高器件性能。

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文献简介

有鉴于此，近日广西大学物理科学与工程技术学院阚志鹏教授研究团队和浦项科技大学（简称POSTECH）Kilwon Cho教授研究团队开展合作，利用1,3,5-Tribromobenzene（简称TBB）固体添加剂联合顺序沉积法[以及热退火（Thermal Annealing，TA）助力]协同调控光活性层垂直相分离。经过亚层吸收光谱（FLAS）、飞行时间-二次离子质谱仪（TOF-SIMS）、角度依赖的X射线近边吸收精细结构（NEXAFS）、TEM和GIWAXS测试分析表明：该方法能有效调节活性层的相分离及分子结晶性。优化后的电池载流子注入效率得到提升，载流子传输更快、更平衡，且载流子双分子复合也得到有效抑制。最终，电池的JSC和FF得到提升，相应电池的PCE也得到明显提升。基于D18-Cl/L8-BO（TBB+TA）的器件实现了18.5%的光电转换效率（平均效率18.1%），该效率是目前基于连续沉积法制备二元电池高效率之一，高于混合沉积法（Blend Deposition，BD）器件16.7%的效率以及顺序沉积法（Sequential Deposition，SD）器件17.2%的效率。

图1. 材料分子结构与基本性质

图2. 器件光伏性能比较

结果表明，所开发的基于D18-Cl/L8-BO（TBB+TA）二元器件与基于D18-Cl/L8-BO（Control）二元器件相比，JSC和FF得到了协同增加，实现了18.5%的PCE，同时VOC为910 mV，JSC为26.3 mA cm-2，FF为77.2%。

图3. FLAS、TOF-SIMS和NEXAFS分析了添加剂（TBB）与后退火（TA）处理对二元有机半导体共混物（D18-Cl/L8-BO）垂直相分离结构形貌演化的影响机制

垂直相分离结构表征：由于F−是非富勒烯受体L8-BO中的特殊基团，因此通过TOF-SIMS追踪F−可以实现对于受体L8-BO垂直分布的观测，从而表征垂直相分离结构。图3d-f显示了不同方法处理的光活性层中L8-BO受体在纵向的分布情况。顺序沉积法联合固体添加剂（热退火辅助）协同方法制得的器件既在靠近电子传输层处保持了较高的受体含量，同时在靠近空穴传输层处也有可观的受体含量，兼顾了电荷产生与传输。

图4. 不同方法处理的光活性层薄膜的形貌表征

图5. 顺序沉积法联合固体添加剂（热退火辅助）协同方法

制备光活性层薄膜的示意图

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文献总结

综上，机理研究表明，具有优选垂直组分分布的SD器件具有高结晶度、高效的激子分裂、低能量损失和平衡的电荷传输，从而全面提高器件的光伏性能。这项工作为高效OSCs光活性层薄膜的制备提供了一种简单实用的方法，有助于理解光伏性能与光活性层垂直组分分布之间的关系。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Advanced Science》上，题为“Vertical Phase Regulation with 1,3,5-Tribromobenzene Leads to 18.5% Efficiency Binary Organic Solar Cells”。

本文关键词：双分子重组、顺序沉积、垂直相分布、挥发性固体添加剂。

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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