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化学所-李永舫院士︱AM:侧链工程和热退火处理调节活性层形貌实现高性能全小分子有机太阳能电池

发表时间:2020-04-20 11:11作者:科匠学术

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本文由通讯作者-李永舫院士受邀撰写,由衷感谢他对科匠学术的支持!

一、研究背景:

由于有机半导体(OS)材料在制造成本低廉、质量轻便的柔性电子器件方面具有突出的优势,受到了各领域研究人员的广泛的关注。作为有机半导体材料在光电领域的应用,有机太阳能电池(OSC)的光伏性能在过去的几十年里实现了巨大进步,这主要得益于新型有机半导体材料和器件技术的创新。与聚合物有机半导体材料相比,小分子有机半导体材料具有化学结构明确,易于纯化等独特优势。然而,在整个有机太阳能电池的发展过程中,由小分子给体和小分子受体组成的全小分子有机太阳能电池(SM-OSC)的能量转换效率(PCE)却始终落后于聚合物给体和小分子受体组成的聚合物太阳能电池(PSC)。SM-OSC较差的光伏性能通常是由于其相对较低的短路电流密度和填充因子(FF)导致的,这主要归结于全小分子薄膜不理想的形貌特征,阻碍了激子解离和电荷传输。因此,合适的纳米尺度形貌对于实现高效的SM-OSC至关重要。


二、文章简介:

基于上述原因,中国科学院化学研究所李永舫课题组研究人员通过侧链工程和热退火处理调节全小分子有机光伏材料活性层形貌,获得了比较理想的给体-受体互穿网络结构,实现了高效全小分子有机太阳能电池。相关成果发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201908373,第一作者是博士生邱贝贝,孟磊博士和李永舫研究员为通讯作者)。研究人员基于他们以前报道的受体-给体-受体(A-D-A)型小分子给体材料SM1,设计并合成了两个噻吩共轭侧链上具有不同取代基的小分子给体材料SM1-S和SM1-F,来研究侧链工程对小分子给体材料的聚集、形貌以及光伏性能的研究。相比于其他两个小分子材料,小分子SM1-F具有最深的HOMO能级和最高的空穴迁移率。研究人员将三个小分子作为给体材料,以最近报道的高性能n-型有机半导体Y6作为受体,制备了相应的全小分子有机太阳能电池。其中,基于小分子SM1-F的SM-OSC表现出最佳的光伏性能,能量转换效率PCE达到14.07%,这是迄今为止所报告的小分子太阳能电池的最高效率之一。此外,研究人员还发现,小分子给体与受体的聚集行为明显不同。而且,小分子给体的结晶性和聚集行为与侧链的取代基具有密切关系。

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三、文章内容:

1、材料的光学和能级性质

图1a给出了三个小分子给体(SM1,SM1-S和SM1-F)和小分子受体Y6的化学结构式。UV-Vis吸收光谱(图1c)和电化学测量电子能级的结果表明,不同的侧链基团会影响小分子材料的吸光光谱和电子能级。其中,小分子SM1-F的薄膜吸收相对于另两个小分子略微蓝移。此外,SM1-F还具有较深的HOMO能级,这有利于相应的光伏器件具有较高的开路电压。

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图1. 小分子光伏材料的吸收光谱和电子能级(HOMO和LUMO能级)
2、全小分子有机太阳能电池光伏性能

研究人员制备了基于三个小分子为给体,Y6为受体的全小分子有机太阳能电池。图2a是优化后的三个全小分子有机太阳能电池的电流密度-电压(J-V)特性曲线。可以看出,三个器件都表现出比较不错的光伏性能,且具有相似的短路电流。其中,基于SM1-F的SM-OSC具有最高的开路电压(0.866 V)和填充因子(0.699),从而表现出最佳的光电转换性能,能量转换效率达到14.07%,这是目前小分子太阳能电池的最高效率之一。此外,SM1-F的光伏器件表现出较弱的电荷复合,这也与其光伏器件具有最好的填充因子相一致。得益于SM1-F:Y6共混膜较高的空穴迁移率和较平衡空穴/电子迁移率,基于SM1-F的光伏器件的光伏性能还具有更好的对活性层膜厚不敏感的特性,这对于器件的大面积制备非常重要。

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图2. 全小分子有机太阳能电池的光伏性能。
3、形貌分析
为了研究不同侧链基团以及热退火对薄膜的作用,研究人员通过透射电子显微镜(TEM)和光诱导力显微镜(PiFM)对小分子单组份薄膜和共混膜的聚集特性进行了研究。从TEM图(图3)中可以看到,小分子给体和受体Y6的聚集行为明显不同,而且,具有不同侧链基团的小分子给体在退火前后的聚集行为也不相同。从图4iii中可以看出,SM1-F:Y6共混膜在退火后表现出更加致密且细长的聚集。此外,PiFM的结果清晰的表明热退火对活性层形貌的调节作用,形成有利于激子解离和电荷传输的互穿网络结构。GIWAXS的结果(图6)可以看出,退火后各衍射峰的半峰宽明显变窄,表明热退火可以有效地促进小分子的堆积。

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图3. 小分子给体(i是SM1;ii是SM1-S;iii是SM1-F)和受体Y6(iv)单组份薄膜后处理前(a)和退火后(b)TEM图。

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4. 共混薄膜(i是SM1:Y6;ii是SM1-S/Y6;iii是SM1-F:Y6)后处理前(a)和退火后(b)TEM图。

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图5. SM1-F:Y6共混薄膜后处理前(a)和退火后(b)PiFM图。

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6. SM1-F:Y6共混薄膜后处理前(a)和退火后(b)GIWAXS图像。
4、空穴转移机制
为了深入研究共混薄膜退火前后的光物理过程,研究人员通过瞬态荧光和瞬态吸收研究了基于SM1-F:Y6共混薄膜在热退火前后的空穴转移机制。从瞬态荧光的结果(图7a)可以看出,热退火后的共混膜中的Y6荧光的淬灭速度要远远快于未处理共混薄膜中的Y6荧光,这表明退火后的共混膜中具有更快的空穴转移速度。此外,瞬态吸收的结果表明(图7f),退火后共混膜的空穴的转移量也提高到退火前的两倍以上。这些结果均表明,退火后的薄膜具有更加高效的激子解离效率,从而有利于相应的光伏器件获得更加理想的光伏性能。

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图7. SM1-F:Y6共混薄膜后退火前后瞬态荧光和瞬态吸收光谱。

四、总结与展望:

研究人员通过侧链工程和热退火处理调节全小分子活性层形貌,获得比较理想的给体-受体互穿网络结构,实现高效全小分子太阳能电池。其中,基于小分子SM1-F的SM-OSC表现出最佳的光伏性能,能量转换效率PCE为14.07%,这是迄今为止所报告的小分子太阳能电池的最佳值之一。该研究工作不仅实现了高效的全小分子有机太阳能电池(SM-OSC),而且还对侧链工程和热退火处理对纳米尺度形貌、光物理性质以及光伏性能的影响提供了深入清晰的理解。这对新型光伏材料的研发和SM-OSC器件的优化具有很好的指导意义。


五、致谢:

感谢国家自然科学基金(91633301,21734008和51673200),广东省基础研究重大专项(2019B030302007)项目对该研究的资助。文中的GIWAXS实验在澳大利亚同步辐射中心进行。

点击「阅读原文」,直达文献。

Authors: Beibei Qiu, Zeng Chen, Shucheng Qin, Jia Yao, Wenchao Huang, Lei Meng*, Haiming Zhu, Yang (Michael) Yang, Zhi‐Guo Zhang, Yongfang Li*

Title: Highly Efficient All‐Small‐Molecule Organic Solar Cells with Appropriate Active Layer Morphology by Side Chain Engineering of Donor Molecules and Thermal Annealing

Published in: Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.201908373.

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