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混合溶剂策略调控非富勒烯光伏电池微纳形貌以实现器件高效率

Science China Press

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IMAGE: 电子给体PBDB-T及氟化非富勒烯受体INPIC-4F的结构;使用不同溶剂的PBDB-T:INPIC-4F太阳能电池的表面形貌和性能。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

近几年来,非富勒烯电子受体的合成和应用极大地推动了有机太阳电池的发展。和传统的富勒烯受体材料相比,非富勒烯受体能级可调节、光谱吸收范围宽、吸光能力强、载流子迁移率高。在非富勒烯电子受体的设计过程中,氟、氯等卤素原子经常被引入到非富勒烯受体的分子结构中以有效的调整电子能级。氟原子具有较小的范德华半径和较大的电负性,其引入也同时提高了受体分子的平面性和聚集能力,增强了结晶倾向。然而,氟代非富勒烯受体在溶液成膜过程中的过度聚集将导致较大的相分离尺寸,这不但使得活性层薄膜表面粗糙,增大了电极界面处的电荷复合,更重要的是使得活性层中给/受体异质结界面减少,不利于激子的分离,从而降低了电池的光伏效率。

最近,武汉理工大学王涛课题组使用具有不同挥发速率的氯苯(CB)和氯仿(CF)以及二者的混合物作为有机太阳能电池活性层中分子结晶和相分离过程的有效调节手段。当使用单一溶剂CB制膜时,非富勒烯受体INPIC-4F形成层晶并进一步发展成微米级别的球晶(如下图所示),器件效率仅有8.1%。当使用沸点很低的CF做溶剂时,INPIC-4F的结晶被极大的抑制,相分离尺寸小但是分子的无序化也仅实现了11.4%的效率。通过调节CB和CF的体积比,改变薄膜干燥时间,调控非富勒烯受体INPIC-4F的结晶程度,优化活性层的微纳形貌,使得PBDB-T:INPIC-4F有机太阳能电池的光伏转化效率(PCE)提升到13.1%,展示了混合溶剂策略对非富勒烯光伏分子有序性和微纳结构调控的巨大应用潜力。

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该工作与南京理工大学和英国谢菲尔德大学合作完成,相关论文近日在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry,共同一作为武汉理工大学陈梦雪和南京理工大学张倬涵,通讯作者为武汉理工大学王涛教授。

原文信息:

Chen M, Zhang Z, Li W, Cai J, Yu J, Spooner E, Kilbride R, Li D, Du B, Gurney R, Liu D, Tang W, Wang T. Regulating the morphology of fluorinated non-fullerene acceptor and polymer donor via binary solvent mixture for high efficiency polymer solar cells. Sci. China Chem., 2019, doi:10.1007/s11426-019-9484-8

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-019-9484-8?slug=fulltext

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