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  近日，南昌大學(xué)的陳義旺教授團(tuán)隊(duì)與Georgia Institute of Technology的Elsa Reichmanis院士、王剛博士（現(xiàn)美國(guó)西北大學(xué)博士后）合作在《ACS Nano》發(fā)表了題為“Vertical Stratification Engineering for Organic Bulk-Heterojunction Devices”的文章。在工作中，作者基于之前的界面材料研究基礎(chǔ)上（Advanced Materials, 2016, 28, 4852-4860， ACS Applied Materials & Interfaces， 2017, 9, 9204-9212），通過(guò)調(diào)節(jié)的界面層的表面能和不同活性層本體異質(zhì)結(jié)體系（包括富勒烯衍生物和非富勒烯體系）給受體材料的表面能差異，并結(jié)合連續(xù)旋涂法制備多層本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，獲得具有不同垂直相分離結(jié)構(gòu)的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)比具有不同垂直相分離結(jié)構(gòu)的正向和反向有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件性能，提出了“有機(jī)太陽(yáng)能電池器件性能-活性層垂直相分離結(jié)構(gòu)-材料表面能和吸收光譜”之間的關(guān)系。

  隨著近年來(lái)新型的給受體材料的發(fā)展，有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件效率已經(jīng)突破14%。通過(guò)使用添加劑和不同的界面材料可以改善活性層與電極材料間的接觸及本體異質(zhì)結(jié)的微觀形貌，在以往的研究中，器件性能的提高主要?dú)w因于材料結(jié)晶性和相尺寸等因素的改善�；钚詫颖倔w異質(zhì)結(jié)的垂直相分離結(jié)構(gòu)，作為活性層共混溶液旋涂成膜過(guò)程中一個(gè)自發(fā)演變形成的結(jié)果，近年來(lái)并沒(méi)有受到廣泛的重視和研究。然而，基于高性能的非富勒烯體系的垂直相分離結(jié)構(gòu)研究是十分必要的，有助于我們理解和進(jìn)一步提高非富勒烯體系有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。

圖1 給受體材料的分子結(jié)構(gòu)與本體異質(zhì)結(jié)內(nèi)給受體材料的垂直相分離結(jié)構(gòu)

  因此，作者基于已報(bào)道的富勒烯體系的研究的基礎(chǔ)上，深入地研究了富勒烯體系中給受體材料與界面材料的表面能大小與垂直相分離結(jié)構(gòu)的關(guān)系（圖1）。作者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的界面材料的表面能通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于給受體材料的表面能，而常用的受體材料具有較給體材料的更高的表面能，這會(huì)導(dǎo)致受體材料通常容易沉積在界面材料修飾后的ITO電極表面，而低表面能的給體材料傾向于暴露在本體異質(zhì)結(jié)外側(cè)，形成一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)定的狀態(tài)。通過(guò)降低界面材料的表面能，受體材料在ITO電極表面的富集程度會(huì)降低，給體材料的量會(huì)得到明顯增加，有效地調(diào)整了本體異質(zhì)結(jié)的垂直相分離結(jié)構(gòu)。有趣的是，隨著給體材料在ITO表面的富集程度的增加，受體材料的外量子效率得到了明顯提高，而給體材料的外量子效率有所下降，且三種不同的給體材料體系均表現(xiàn)出相同的行為。由于富勒烯受體材料的吸收主要集中在藍(lán)光區(qū)，而給體材料的吸收主要集中在紅光區(qū)，垂直相分離結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致藍(lán)光區(qū)的外量子效率有明顯提高，但對(duì)短路電流密度有明顯貢獻(xiàn)的紅光區(qū)的外量子效率的降低使得器件性能的提高受到抑制。通過(guò)使用較低表面能的ZnO/MPPA界面材料，基于PTB7-Th:PC71BM體系的有機(jī)太陽(yáng)能電池達(dá)到了10.6%的光電轉(zhuǎn)換效率。

  而非富勒烯體系受體材料的吸光主要集中在紅光區(qū)，通過(guò)降低界面材料的表面能，應(yīng)該可以提高紅光區(qū)的外量子效率。為了排除不同界面材料對(duì)器件性能的影響，作者采用連續(xù)旋涂具有不同給受體比例和總濃度的活性層溶液制備垂直相分離結(jié)構(gòu)（圖2），最終證實(shí)非富勒烯體系也遵循著相同的規(guī)律。具有較高表面能的ITIC受體富集在ITO/ZnO表面（圖3），隨著ITIC在ITO/ZnO表面的富集程度增高，ITIC受體材料的外量子效率逐漸降低，而PBDB-T給體材料的外量子效率得到增加。因而，降低ITO/ZnO的表面能，更有利于獲得高的短路電流密度。而使用連續(xù)旋涂法得到的形貌并不穩(wěn)定，通過(guò)使用MPPA分子降低基底的表面能并獲得穩(wěn)定的優(yōu)化的垂直相分離結(jié)構(gòu)，器件性能提高到了10.8%。

圖2 非富勒烯體系的器件性能（a）及外量子效率（b）曲線

圖3 非富勒烯體系的本體異質(zhì)結(jié)的垂直相分離結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

  該研究提出了一個(gè)理論模型，由于長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域的EQE增加有利于得到更高的短路電流密度，而某一組分EQE的增加可能會(huì)伴隨著另一組分的EQE的降低。對(duì)于富勒烯體系，使用高表面能的界面材料提高受體在基底表面的富集程度有利于得到更高的短路電流密度，而對(duì)于非富勒烯體系，使用低表面能的界面材料使給體在基底表面的富集程度有利于得到更高的短路電流密度（圖4）。簡(jiǎn)言之，可以通過(guò)調(diào)節(jié)界面材料的表面能，得到全光譜內(nèi)更均衡的EQE值和更高的短路電流密度。

圖4 提出的理論模型“經(jīng)由界面材料表面能來(lái)調(diào)節(jié)本體異質(zhì)結(jié)垂直相分離進(jìn)而提高器件光伏性能”

  該研究對(duì)未來(lái)給受體材料和界面材料的分子功能化設(shè)計(jì)以及如何進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化活性層形貌來(lái)提高有機(jī)太陽(yáng)能的器件性能提供了新的思路和方法。該工作的第一作者為南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院的博士研究生黃立強(qiáng)，Georgia Institute of Technology的博士王剛，及南昌大學(xué)材料學(xué)院的周魏華副教授，南昌大學(xué)為第一通訊單位，通訊作者為陳義旺教授、Elsa Reichmanis院士及王剛博士。同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所李韋偉研究員團(tuán)隊(duì)、華中科技大學(xué)的周印華教授團(tuán)隊(duì)及西安交通大學(xué)馬偉教授團(tuán)隊(duì)對(duì)該工作的研究和完善做出了突出貢獻(xiàn)。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.8b00439?mi=aayia761&af=R&AllField=nano&target=default&targetTab=std