【要點摘要】

本篇研究由 香港中文大學(xué) Xinhui Lu、中國科學(xué)院 Guilong Cai 等人發(fā)表。

• 1,4-二碘苯(DIB)和偶氮甲烷(DIM)的雙添加劑策略有效優(yōu)化了基于BTR-Cl:Y6的全小分子有機(jī)太陽能電池(ASM-OSCs)的形態(tài)，無需溶劑蒸發(fā)處理。

• DIB和DIM具有協(xié)同作用 - DIB增強(qiáng)了Y6的分子堆積，而DIM抑制了BTR-Cl在薄膜形成過程中的聚集。

• 雙添加劑的引入改變了BTR-Cl的優(yōu)先取向，從側(cè)柱面取向變?yōu)槎酥嫒∠颍龠M(jìn)了電荷輸運。

• 隨著給體/受體相分離的細(xì)化，達(dá)成光生電荷分離和電荷提取的平衡。

• 優(yōu)化后的ASM-OSCs效率達(dá)到15.2%，是迄今為止在無溶劑蒸發(fā)處理的情況下，已報導(dǎo)的二元體系中最高的。

• 這項工作展示了一種有前景的方法來控制奈米尺度的形態(tài)以實現(xiàn)高效的小分子有機(jī)光電子器件。

【背景】

全小分子有機(jī)太陽能電池(ASM-OSCs)因小分子給體和受體的精確定義結(jié)構(gòu)而具有前景，消除了聚合物的批次變異再現(xiàn)性問題。但是，由于小分子組分相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)和高度的混溶性，控制 ASM-OSCs 中的滲透異質(zhì)結(jié)構(gòu)體形態(tài)更具挑戰(zhàn)性。通常用于優(yōu)化形態(tài)的溶劑蒸發(fā)處理策略，其可擴(kuò)展性差。另一方面，最近的研究表明，引入添加劑可以在沒有復(fù)雜溶劑蒸發(fā)處理的情況下有效調(diào)節(jié) ASM-OSCs 中的結(jié)晶化和相分離。然而，到目前為止，這個領(lǐng)域的研究非常有限。本工作開發(fā)了雙添加劑方法以準(zhǔn)確控制小分子給體和受體在 ASM-OSCs 中各自的形態(tài)。

【結(jié)果】

• 紫外可見吸收測量表明，DIB主要與受體Y6發(fā)生作用，而DIM主要與給體BTR-Cl發(fā)生作用。

• GIWAXS數(shù)據(jù)顯示雙添加劑的引入使BTR-Cl在混合薄膜中的優(yōu)先取向從側(cè)柱面取向轉(zhuǎn)變?yōu)槎酥嫒∠颍诖怪眰鬏旊姾纱┻^器件。

• GISAXS測量和分析表明，在雙添加劑作用下，BTR-Cl域大小增加，在保持電荷收集交錯通道的同時，在廣闊的界面上促進(jìn)了光生電荷分離。

• 空間電荷限制電流擬合表明雙添加劑處理的混合薄膜分別達(dá)到最高的洞遷移率9.2 x 10-4 cm2V-1s-1 和電子遷移率7.9 x 10-4 cm2V-1s-1，這也歸因于更有利的端柱面堆積。

• 在沒有任何溶劑蒸發(fā)處理的情況下，優(yōu)化的 ASM-OSCs 在 5 mg/mL DIB 和 0.3% DIM 條件下效率達(dá)到 15.2%，是迄今報導(dǎo)的二元小分子系統(tǒng)中最高的。

• 瞬態(tài)吸收測量確認(rèn)了與對照樣品相比，雙添加劑樣品的混合薄膜中結(jié)合過程更慢。

【方法】

• 使用 1,4-二碘苯 (DIB,固體)和偶氮甲烷 (DIM,液體) 開發(fā)雙添加劑策略。

• 利用紫外可見吸收、GIWAXS、AFM、TEM等表征形態(tài)。空間電荷限制電流測量電荷遷移率。

• 制作太陽能電池以評價性能。過渡吸收光譜和電容光譜研究動力學(xué)過程。

研究使用光焱科技太陽光模擬器SS系列 與量子效率測試系統(tǒng) QE-R來協(xié)助量測，SS具備A+光譜搭配擁有高重復(fù)與準(zhǔn)確性的QE-R，使研究結(jié)果更加精準(zhǔn)。

【結(jié)論】

這項工作展示了一種有效的雙添加劑策略來優(yōu)化全小分子有機(jī)太陽能電池的形態(tài)。兩種添加劑在調(diào)節(jié)光電活性層的相分離和分子堆積中發(fā)揮了協(xié)同作用 - DIB與受體Y6形成共晶相從而緊密其分子堆積，同時DIM的揮發(fā)抑制了給體BTR-Cl的聚集。其結(jié)果是，在給體取向有利地從側(cè)柱面轉(zhuǎn)變?yōu)槎酥嫒∠虻耐瑫r，獲得了平衡的域大小,有利于電荷生成和傳輸。提高的電荷載流子遷移率、抑制的復(fù)合以及優(yōu)化的奈米尺度形態(tài)共同促成了 15.2% 的高功率轉(zhuǎn)換效率,而這是在沒有溶劑蒸發(fā)處理的情況下的二元 ASM-OSCs。這種雙添加劑方法提供了一種有前景和簡便的方式來調(diào)節(jié)形態(tài)以實現(xiàn)高效的小分子光電子器件。

關(guān)鍵詞: Organic Solar Cell

a) 分子結(jié)構(gòu)：BTR-Cl、Y6、DIM、DIB。b) Normalized absorption spectra：BTR-Cl薄膜無添加劑，以及添加DIM/DIB。c) Normalized absorption spectra：Y6薄膜無添加劑，以及添加DIM/DIB。

a) J-V 曲線。 b) PCE 的統(tǒng)計直方圖。 c) EQE 響應(yīng)和性能最佳設(shè)備的集成 JSC。 d) 使用不同添加劑處理的 Jph 與 Veff 特性。