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陳義旺課題組 AFM：通過納米壓印結(jié)合順序旋涂策略實(shí)現(xiàn)具有垂直梯度分布的高效準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)電池
2022-11-06  來源：高分子科技

  近年來，有機(jī)太陽(yáng)電池(OSCs)因質(zhì)輕、半透明、可溶液加工等優(yōu)點(diǎn)，已成為極具發(fā)展前景的可再生綠色轉(zhuǎn)化技術(shù)之一，體現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前，得益于新材料的設(shè)計(jì)開發(fā)及活性層形貌的優(yōu)化，基于本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)結(jié)構(gòu)器件的功率轉(zhuǎn)換效率(PCEs)已超過19%。但是，如何精準(zhǔn)調(diào)控活性層形貌，形成梯度分布結(jié)構(gòu)的給受體組分來提高電荷的傳輸與收集和減少?gòu)?fù)合仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，研究者們采用了順序沉積給體和受體的方法調(diào)控活性層梯度分布，這一策略不僅可以降低給體和受體材料相互作用的復(fù)雜性，還能使給受體分別富集在陽(yáng)極和陰極，從而大大提高電荷的傳輸和利用效率。然而，目前高效體系中的給體/受體材料均易溶于氯仿、氯苯和甲苯等溶劑中，正交溶劑較難選擇且效率較低，所以如何減少上層溶液對(duì)下層薄膜的侵蝕，仍是準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)（PPHJ）有機(jī)太陽(yáng)電池需要探究的難題。


  為了精確調(diào)控活性層梯度分布并解決順序沉積中上層溶液的沖刷問題，南昌大學(xué)/江西師范大學(xué)陳義旺教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種將納米壓印技術(shù)和順序沉積相結(jié)合的策略，首次制備了高質(zhì)量的PM6納米光柵，使給體/受體受限結(jié)晶，以精確地調(diào)節(jié)垂直相分離形態(tài)。研究人員采用2 μm光柵模板，探究了不同溫度下納米壓印對(duì)于薄膜形貌及器件性能的影響。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米壓印可以極大的提高給體的結(jié)晶性，有效地抑制了在順序沉積過程中上層溶劑對(duì)下層薄膜的侵蝕，因此在壓印后的PM6/Y6的PPHJ薄膜中，Y6更趨于在活性層表面聚集，而PM6趨向在活性層底部聚集，在垂直方向形成了具有良好梯度分布的活性層形貌。不僅如此，由于納米壓印的作用，PM6/Y6的結(jié)晶取向也得到了優(yōu)化，形成了規(guī)整的電荷傳輸通道，提高了激子分離效率和電荷的傳輸性能。而且由于活性層中形成了光柵結(jié)構(gòu)，對(duì)光的利用率得到了大幅增強(qiáng)，使得短路電流有所增強(qiáng)。最終，在壓印溫度為150 ℃時(shí)器件性能最優(yōu)，PCE從15.46%提高到17.36%，FF從70.93%提高到76.40%。這些結(jié)果表明，納米壓印結(jié)合順序旋涂的策略是一種調(diào)控垂直相分離形態(tài)以獲得更好的器件性能的有效方法。


 圖1 整個(gè)納米壓印實(shí)驗(yàn)流程圖。(a)玻璃干燥器中FDTS防粘層真空蒸發(fā)示意圖。(b)聚合物給體PM6和小分子Y6的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(c)轉(zhuǎn)移到給體膜表面的實(shí)驗(yàn)示意圖。(d)硅模板的平面和截面掃描電鏡圖像。(e) 壓印PMY/Y6后的器件結(jié)構(gòu)圖。(f)納米壓印處理前后活性層垂向成分演化示意圖。 


圖2 (a) 壓印PM6和(b) 壓印PM6/Y6在150 °C下的光學(xué)顯微鏡圖(OM)和深度圖。(c) 150 °C下壓印PM6的平面和(d) 截面掃描電鏡圖。(e) 壓印PM6/Y6的截面掃描電鏡圖與放大圖。原子力顯微鏡 (AFM) 和相圖(f) PM6和(g) PM6/Y6，(h) 壓印PM6和 (i) 壓印PM6/Y6在150℃下的相圖。


  本論文發(fā)表于國(guó)際材料頂級(jí)期刊 Advanced Functional Materials （IF = 19.924）上，題為“Nanoimprint Lithography-Dependent Vertical Composition Gradient in Pseudo-Planar Heterojunction Organic Solar Cells Combined with Sequential Deposition”。本文通訊作者為陳義旺教授以及南昌大學(xué)談利承教授，第一作者為南昌大學(xué)博士研究生毛厚東，共同第一作者為江西師范大學(xué)張立福博士。


  全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202209152

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