浙大陈红征&左立见AM:逐层沉积法制备高效稳定二元有机光伏器件

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）在过去发展的几十年里，由于具有优异的柔韧性、良好的选择性吸收、透明性、重量轻、溶液法生产成本低等优点，引起了研究人员的热情并取得了快速发展。OSCs的器件结构由层状结构组成，活性层夹在阴极和阳极之间，由界面电荷传输层进行缓冲连接。活性层是用作光吸收、电荷产生和传输的最重要成分。最普及和最有效的活性层结构是由电子给体：电子受体（D：A）混合膜组成，具有非常精细的纳米级相分离互穿网络，或所谓的“体异质结（BHJ）结构”，用于克服高激子结合能和双极电荷传输限制，同时实现快速激子解离和平稳电荷传输。分子设计、形貌控制、器件工程等方面的快速进步极大地提高了OSCs的器件性能，使其与无机同类产品同台竞争。目前，光电转换效率（PCE）达到创纪录的19.6%（单结三元器件）和20.2%（叠层器件）。

在所有控制OSC光生电过程的因素中，形成理想的BHJ形态是最棘手的，这不仅需要具有合适混溶性的D:A组合，还需要对相分离动力学进行精细控制。构建BHJ主要包括两种方法：自下而上的本体相分离和自上而下的相互渗穿。通常，活性层通过混合膜旋涂（BC）进行加工，其中给体和受体在溶液中很好地预混合。固体薄膜是通过从湿膜中蒸发溶剂形成的，伴随着相分离过程，相分离是由溶剂和工艺条件的选择所介导的。作为上述BC方法的补充，其中给体和受体逐层沉积（SC），提供了一种新的形貌控制途径。其中第一层经过溶剂蒸发形成结晶膜，可通过溶剂选择和旋涂时间进行调整。第二层渗透到第一层中形成相分离结构，这是受给体和受体之间的结晶度和混溶性决定的。有趣的是，用SC处理的器件表现出相似甚至更好的器件性能，且在刀片涂层工艺和大规模制备方面显示出一定优势。然而，SC加工如何实现理想的BHJ形貌的潜在机制及其形貌对光电特性的影响仍不清楚，这阻碍了对SC成膜方式潜力的充分挖掘。

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文献简介

为了解决这一问题，浙江大学陈红征教授、左立见研究员与西安交通大学鲁广昊教授课题组、马伟教授课题组，香港中文大学路新慧教授课题组以及苏州纳米所马昌期研究员课题组开展合作，研究了SC成膜对三种代表性D:A体系（PM6:PC71BM、PM6:IT-4F和PM6:L8-BO）的影响，并将它们与传统的BC成膜进行了比较。通过共振软X射线散射 (RSoXS)、掠入射广角X射线散射 (GIWAXS)、原子力显微镜 (AFM)、薄膜深度依赖光吸收光谱 (FLAS) 和深度依赖X射线光电子能谱（D-XPS）等手段，发现SC处理产生的BHJ结构与BC相比，具有相似的薄膜结晶度和垂直相分离，但更精细的纳米级相分离互穿网络。这些现象启发作者提出溶胀-嵌插-相分离（SIPS）模型来解释SC处理过程中的形态演变。

在此基础上，研究人员采用不同溶剂进行了系统实验，提出了如何对SC成膜进行溶剂的选择。此外，研究发现与给受体比例相关的电子和空穴载流子迁移率对垂直相分离中电荷传输和收集起了决定性作用。通过利用SC方式成膜的二元器件PCE达到18.86%（经认证为18.44%）。通过制备1cm2器件，验证了SC成膜与BC成膜相比，在器件规模放大中更具潜力。除了PCE的提高外，SC成膜的器件光稳定性还一定程度上得到了提高。

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文献总结

综上，该工作证明了SC成膜方法的有效性和多功能性，并提出了SIPS模型来描述薄膜连续沉积的成膜过程，有助于理解薄膜形态演变和进一步开发高性能OSCs。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Versatile Sequential Casting Processing for Highly Efficient and Stable Binary Organic Photovoltaics”。浙江大学高分子系博士生何程亮为文章第一作者，陈红征教授及左立见研究员为通讯作者。

本文关键词：有机太阳能电池，器件加工，逐层沉积，相分离。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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