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  為了克服有機(jī)太陽(yáng)能電池激子擴(kuò)散長(zhǎng)度短的問題，俞剛博士于1995年報(bào)道了給/受體共混的本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）有機(jī)太陽(yáng)能電池。隨著光伏材料的創(chuàng)新和器件工藝的優(yōu)化，將BHJ 有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）提升到18%以上，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是BHJ結(jié)構(gòu)的活性層薄膜形態(tài)調(diào)控是非常精確和復(fù)雜的過程。由于在旋涂過程中給體和受體的自組裝和聚集，為了獲得最佳的BHJ薄膜形貌，必須進(jìn)行各種器件工藝優(yōu)化。對(duì)于一些高效的光伏材料體系，在某些溶劑中相容性不好時(shí)，采用BHJ器件結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較差的光伏性能，不能完全體現(xiàn)材料的優(yōu)異性能。

  對(duì)于這類具有良好光伏性質(zhì)的特殊材料，就需要采用平面異質(zhì)結(jié)（PHJ）器件結(jié)構(gòu)。含有給/受體材料的PHJ活性層通常采用連續(xù)旋涂的工藝，由于溶劑的溶脹和分子的擴(kuò)散，PHJ薄膜的中間連接處可能會(huì)產(chǎn)生微小的納米級(jí)體異質(zhì)結(jié)（BHJ）區(qū)域。因此，他們將該結(jié)構(gòu)定義為準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)（Q-PHJ）。雖然目前Q-PHJ有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率落后于BHJ器件，但其仍然具有一定的優(yōu)勢(shì)。給/受體的活性層形成單獨(dú)的雙層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的D/A界面能夠有效的解離激子。在這種情況下，產(chǎn)生的空穴在給體中傳輸，電子在受體中傳輸，可以減少器件工作時(shí)的電荷復(fù)合，而且垂直相分離相比BHJ結(jié)構(gòu)更容易控制。隨著具有長(zhǎng)程激子擴(kuò)散的3D網(wǎng)絡(luò)受體結(jié)構(gòu)受體IT-4F、Y6、和Y6-BO的出現(xiàn)，進(jìn)一步促進(jìn)了激子和電荷在多個(gè)方向上的轉(zhuǎn)移，激子的長(zhǎng)壽命和擴(kuò)散距離確保了大多數(shù)激子擴(kuò)散到D/A界面進(jìn)行解離，可用于制備優(yōu)異的Q-PHJ有機(jī)太陽(yáng)能電池。

  近日，南方科技大學(xué)何鳳教授課題組基于聚合物給體D18和受體BTIC-BO-4Cl，制備了PCE高達(dá)17.6% 的Q-PHJ有機(jī)太陽(yáng)能電池，是目前報(bào)告的該類型器件結(jié)構(gòu)的最高效率之一。該研究表明在某些獨(dú)特的光伏材料體系中， Q-PHJ結(jié)構(gòu)可以取代BHJ結(jié)構(gòu)制備性能優(yōu)異的有機(jī)太陽(yáng)能電池，為光伏材料的設(shè)計(jì)和器件制備提供新的研究思路。

  D18和BTIC-BO-4Cl的分子結(jié)構(gòu)如圖1a所示。BHJ膜通過混合D18:BTIC-BO-4Cl的氯仿溶液旋涂而成，Q-PHJ膜通過D18的氯仿溶液和BTIC-BO-4Cl的甲苯溶液連續(xù)旋涂而成。圖1b和1c分別為BHJ和Q-PHJ活性層的共混膜和電荷傳輸示意圖。由于D18和BTIC-BO-4Cl之間的能級(jí)差異，激子可以被有效的解離。當(dāng)擴(kuò)散距離足夠且激子分離效率高時(shí)，Q-PHJ比BHJ器件結(jié)構(gòu)具有更好的電荷輸運(yùn)和收集性能。BTIC-BO-4Cl具有分子相互作用形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖1d)，有利于激子在多通道中的擴(kuò)散和載流子輸運(yùn)。D18和BTIC-BO-4Cl良好的能級(jí)匹配和互補(bǔ)的吸收范圍，在Q-PHJ膜中可以同時(shí)產(chǎn)生雙通道的光致電子和空穴轉(zhuǎn)移電荷，如圖1e所示，良好的光子捕獲和快速電荷轉(zhuǎn)移能在器件中實(shí)現(xiàn)高短路電流。

圖1. (a) D18 和BTIC-BO-4Cl的分子結(jié)構(gòu), BHJ (b)和Q-PHJ (c)的薄膜結(jié)構(gòu)和電荷傳輸，(d) BTIC-BO-4Cl的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), (e)活性層中電荷的雙通道產(chǎn)生途徑。

  激子的擴(kuò)散距離和解離是制約Q-PHJ 器件效率的關(guān)鍵因素。為了研究激子的解離效率，他們測(cè)定了BTIC-BO-4Cl純膜、BHJ和Q-PHJ共混膜的光致發(fā)光(PL)猝滅光譜，如圖2a所示。與純BTIC-BO-4Cl薄膜相比，Q-PHJ薄膜的PL發(fā)射信號(hào)很低或沒有，這表明D18與BTIC-BO-4Cl薄膜界面處存在高效的激子解離和電荷轉(zhuǎn)移行為。為了進(jìn)一步研究激子的猝滅時(shí)間，對(duì)相關(guān)薄膜進(jìn)行了時(shí)間分辨光致光譜(TRPL)測(cè)量。薄膜隨時(shí)間的衰減曲線如圖2b所示，由于快速的電荷轉(zhuǎn)移和激子離解， BHJ和Q-PHJ混合膜比BTIC-BO-4Cl薄膜明顯更快的衰減。為了估算激子擴(kuò)散距離和研究器件中的電荷轉(zhuǎn)移，測(cè)量了不同薄膜的瞬態(tài)吸收光譜。計(jì)算的D18和BTIC-BO-4Cl的激子擴(kuò)散距離分別為33.2和41.2 nm，滿足高性能Q-PHJ器件的激子擴(kuò)散條件。圖2c顯示了Q-PHJ薄膜瞬態(tài)吸收光譜的2D譜圖，圖2d顯示了Q-PHJ薄膜隨時(shí)間變化的瞬態(tài)吸收光譜。隨時(shí)間的快速衰減歸因于激子在D/A界面處的超快解離，隨后的緩慢衰減歸因于激子在D/A界面的擴(kuò)散。在Q-PHJ薄膜中，激子可以擴(kuò)散到D/A界面并有效分離。

圖2. (a) BTIC-BO-4Cl, BHJ 和 Q-PHJ 薄膜的PL光譜, (b) BTIC-BO-4Cl，BHJ and Q-PHJ薄膜的時(shí)間分辨PL光譜， (c) Q-PHJ 薄膜的2D瞬態(tài)吸收光譜， (d) 不同時(shí)間下的Q-PHJ薄膜瞬態(tài)吸收光譜。

  經(jīng)過器件工藝的優(yōu)化，BHJ器件的PCE僅為14.05%，Q-PHJ器件的PCE高達(dá)17.6%。性能提升的主要因素來自于短路電流和填充因子的顯著增強(qiáng)。通過對(duì)載流子遷移率和壽命的測(cè)試，Q-PHJ器件高平衡的載流子遷移率和延長(zhǎng)的載流子壽命可以減少電荷的復(fù)合。通過高靈敏度的外量子效率和電致發(fā)光譜分析器件的能量損失，Q-PHJ器件表現(xiàn)出更低的能量損失。通過采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)BHJ和Q-PHJ器件的橫截面進(jìn)行了表征，圖像分別如圖3a和3b所示。從圖像中可以看到Q-PHJ器件中給體層和受體層的清晰界面。D18與BTIC-BO-4Cl層的平面緊密接觸形成合適的D/A界面和垂直相分離，使激子在界面處有效解離，產(chǎn)生的載流子在各層中分開傳輸。他們還用動(dòng)態(tài)X射線光電子能譜(DXPS)測(cè)定了BHJ和PHJ薄膜的垂直成分，其中Cl是BTIC-BO-4Cl的特征元素。圖3c和3d分別顯示了含有Cl 2p信號(hào)的BHJ和PHJ薄膜的深度分布圖。在Q-PHJ薄膜中，Cl 2p信號(hào)在刻蝕一段時(shí)間后開始下降， Q-PHJ膜的上層組分為BTIC-BO-4Cl，下層為D18，與SEM圖像的結(jié)果一致。另外通過原子力顯微鏡，透射電子顯微鏡和GIWAXS技術(shù)對(duì)薄膜形貌的全面分析，與BHJ薄膜相比，發(fā)現(xiàn)通過減少混合相的Q-PHJ活性層薄膜具有優(yōu)化的垂直相分離結(jié)構(gòu)，有助于提高器件性能和穩(wěn)定性。

圖 3. (a) BHJ and (b) Q-PHJ 器件橫截面的掃描電鏡圖, (c) BHJ and (d) Q-PHJ 薄膜的Cl 2p信號(hào)的X-射線光電子能譜。 

  通過基于D18和BTIC-BO-4Cl的BHJ和Q-PHJ器件的全面研究，獲得了制備高效和穩(wěn)定Q-PHJ 有機(jī)太陽(yáng)能電池的重要指導(dǎo)依據(jù)，從而可以加速有機(jī)太陽(yáng)能電池的商業(yè)化。相關(guān)研究成果現(xiàn)發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)材料期刊Advanced Materials (Adv. Mater., 2021, 33, 2102778)上，該工作的第一作者為課題組研究助理教授陳暉，博士后趙廷興，其它作者包括南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系的博士后李龍和郭亮助理教授，通訊作者為南方科技大學(xué)化學(xué)系與深圳格拉布斯研究院何鳳教授。該研究得到了南方科技大學(xué)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、國(guó)家青年千人項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)、深圳市科創(chuàng)委以及深圳格拉布斯研究院和南方科技大學(xué)分析測(cè)試中心的大力支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102778