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西工大劉劍剛教授團(tuán)隊(duì) AEM:控制第三組分分布實(shí)現(xiàn)高性能三元有機(jī)太陽能電池
2025-03-10  來源:高分子科技

  基于福斯特能量轉(zhuǎn)移的三元有機(jī)太陽能電池(T-OSCs)可顯著提高活性層的光吸收能力,從而改善其能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)。研究發(fā)現(xiàn),由于能量轉(zhuǎn)移效率(EFRET)會隨著能量給體和能量受體之間距離的增加而急劇下降,因此,只有能量給體和能量受體的間距較小時(shí),才能產(chǎn)生較高的能EFRET。然而,能量給體和能量受體在活性層內(nèi)的隨機(jī)分布導(dǎo)致兩者的距離較大;此外,不可控的組分分布還容易破壞活性層的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此,優(yōu)化第三種成分的分布可以顯著改善光物理性質(zhì),提高器件性能。


  對基于PM6:Y6:IBC-FT-OSCs而言,能量給體為IBC-F,能量受體為PM6。因此,使IBC-F分布在PM6相中對于最大限度地利用活性層的光子收集能力進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過程至關(guān)重要;诖,西北工業(yè)大學(xué)劉劍剛教授團(tuán)隊(duì)提出了一種定位沉積策略,以PM6:Y6:IBC-F體系為例,先將能量給體IBC-F和能量受體PM6混合后制備成膜,然后在其上沉積受體組分Y6,從而構(gòu)筑第三成分分布可控的體相異質(zhì)結(jié)(CDBHJ,如圖1a)所示。結(jié)果表明,在體相異質(zhì)結(jié)(BHJ)活性層中,僅有25.1%IBC-F分布在PM6相中,相應(yīng)的EFRET只有46.5%。相比之下,在CDBHJ薄膜中,PM6相區(qū)內(nèi)IBC-F的含量上升至72.7%,EFRET增加到66.8%。與此同時(shí),定位沉積策略還可以協(xié)同優(yōu)化活性層的結(jié)晶和相分離動力學(xué)行為,形成以高結(jié)晶度、低缺陷態(tài)密度和適當(dāng)垂直相分離為特征的活性層形貌。基于此,CDBHJT-OSCsPCEJSC× FF的值分別達(dá)到18.29%21.45,顯著高于BHJ器件的相應(yīng)參數(shù)。該項(xiàng)研究有力證實(shí)了定位沉積策略在精準(zhǔn)調(diào)控第三種成分分布上具備顯著成效,為提升T-OSCs性能提供了全新的解決思路與技術(shù)支撐。


1. a)定位沉積示意圖。BHJCDBHJ薄膜中(bF 1s、(cN 1s 和(dS 2p 的動態(tài)X射線光電子能譜圖像。(e)相對分子數(shù)量(RMN)的縱向分布。(f-h)在532 nm光源激發(fā)下BHJCDBHJ薄膜的Raman Mapping圖。(iIBC-FBHJCDBHJ薄膜中的分布圖(黃色和藍(lán)綠色代表PM6:IBC-FY6:IBC-F共混相)和含量百分比(紅色代表PM6:IBC-F和藍(lán)色代表Y6:IBC-F共混相)。


2. aBHJCDBHJ薄膜在465 nm光源激發(fā)下的時(shí)間分辨熒光(TRPL)光譜。(bBHJ薄膜和(cCDBHJ薄膜在475 nm光源激發(fā)下的瞬態(tài)吸收(fs-TA)光譜。


3. a)基于深度依賴吸收光譜模擬的激子數(shù)量分布。(b)激子生成速率縱向變化曲線。(cBHJ器件和CDBHJ器件的Jph-Veff 曲線。(dBHJ薄膜和(eCDBHJ薄膜在750 nm光源激發(fā)下的fs-TA光譜,f635850 nm處基態(tài)漂白信號時(shí)間變化曲線。


4. a)二維GIWAXS圖,(b)相應(yīng)的面外(OOP)和面內(nèi)(IP)方向的一維強(qiáng)度曲線。(c)層狀堆積(100)和π-π堆積(010)峰的極圖。(dBHJCDBHJ薄膜的Urbach能。


5.a)最優(yōu)的BHJ器件和CDBHJ器件的J-V曲線和(bEQE曲線。(c16個(gè)器件的PCE直方圖。(d)本文與文獻(xiàn)報(bào)告中基于PM6:Y6T-OSCs的比較(PCEJSC × FF)。(e)最優(yōu)的BHJ 器件和CDBHJ器件的VOC -Plight和(fJSC-Plight曲線。(gBHJ-Device和 CDBHJ-Device的光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性。(h)活性面積為1.21cm2OSCsJ-V曲線。(i)其他四個(gè)代表性體系中BHJ-DeviceCDBHJ-DevicePCE。


  該工作以Controlling the Third Component Distribution Toward High-Efficient Ternary Organic Solar Cells為題發(fā)表國際期刊《Advanced Energy Materials上。文章的通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)劉劍剛教授、梁秋菊教授苗宗成教授,第一作者是西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院博士研究生張鈺通。本研究得到陜西省杰出青年、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。


  全文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202406136


  下載:Controlling the Third Component Distribution Toward High-Efficient Ternary Organic Solar Cells

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