AEM.侯剑辉团队:免后处理OPV高达19%转换效率

研究成就与看点

一、研究团队

三、  解决方案

四、 实验过程与步骤

此研究採用分子設計和三元策略來實現高效且無需後處理的有機光伏 (OPV) 電池。具體研究方法包含以下幾個方面：

1. 分子設計與合成：

設計並合成了一種名為 GS-20 的新型非富勒烯受體材料。GS-20 具有完全稠合的共軛骨架，賦予其強結晶性和聚集特性。

相關的核磁共振氫譜（1H-NMR）和基質輔助雷射脫附游離飛行時間質譜（MALDI-TOF）數據也一併提供以驗證化合物的結構。

2. 材料表徵：

● 光學性質： 測量了 PBQx-TF、eC9-2Cl 和GS-20 的紫外-可見吸收光譜和光致發光光譜，以研究它們的光吸收和發光特性。

也利用循環伏安法 (CV) 測量了 GS-20 的最高佔據分子軌道 (HOMO) 和最低未佔分子軌道 (LUMO) 能級。

● 聚集特性與形貌： 使用接觸角測量和 Flory-Huggins 參數 (χ) 來評估材料的混溶性。並利用掠入射廣角 X 射線散射 (GIWAXS) 技術研究了 GS-20、eC9-2Cl 及其共混物的結晶度和分子堆疊。

同時，使用原子力顯微鏡 (AFM) 表徵了共混薄膜的形貌和表面粗糙度。

3. 薄膜製備與器件組裝：

採用旋塗法製備了不同組成的活性層薄膜，包括二元共混物 (PBQx-TF:eC9-2Cl 和 PBQx-TF:GS-20) 和三元共混物 (PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20)。對於需要後處理的二元電池，在旋塗活性層之前，將 0.5 vol% 的 1,8-二碘辛烷(DIO) 添加到溶液中。

製備好的活性層薄膜隨後進行熱退火處理。完整的器件結構為 ITO/PEDOT:PSS/活性層/NDI-Ph/Ag。

此外，使用刮刀塗佈法製備了大面積的三元OPV 模組，器件結構為 ITO/ZnO/PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20/MoO3/Al。1314

4. 器件性能測試與分析：

本研究采用了多种表征手段来分析材料的性质和器件的性能，包括光谱分析、形貌表征和器件性能测试等。

器件性能表征
电流密度-电压 (J-V) 特性曲线 (图 4a)：

· PBQx-TF:GS-20基电池由于分子能级偏移较大，开路电压 (Voc) 较低，为0.845 V，填充因子 (FF) 为74.9%，最终PCE为9.94%。

· 未经后处理的PBQx-TF:eC9-2Cl基电池获得了17.1%的PCE，Voc为0.886V，短路电流密度 (Jsc) 为26.7 mA cm-2，FF为72.4%。

· 经过后处理的PBQx-TF:eC9-2Cl基电池PCE提升至17.7%，Voc为0.857   V，Jsc为27.0 mA cm-2，FF提升至76.6%。

· 引入GS-20的三元电池在未经任何后处理的情况下，Voc显着提升至0.890 V，FF提升至78.4%，最终PCE达到19.0%。

外量子效率 (EQE) 曲线 (图 4b)： EQE曲线显示，三元电池在整个光谱范围内都具有较高的EQE值，表明其能够有效地将光子转化为电子。

电致发光外量子效率 (EQEEL) 测量 (图 4c)：

· 三元电池的EQEEL值 (1.77× 10−4) 明显高于基于PBQx-TF:eC9-2Cl的电池 (9.21 × 10−5)，但略低于未经后处理的二元电池 (2.26×10−4)。

· 这表明GS-20的引入可以调节聚集结构，减少非辐射复合损失。

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· 光强依赖性Voc测量 (图 4e)：

· 三元电池的Voc与光强关系曲线的斜率为1.14 kT/q，表明其具有最小的陷阱辅助复合。

· 光强依赖性Jsc测量 (图 4f)：所有OPV电池的指数因子 (α) 均接近0.98，表明双分子复合对器件性能的影响较小。

· 瞬态光电流 (TPC) 测量 (图 4g)：

· 与未经后处理的电池相比，经过后处理的PBQx-TF:eC9-2Cl基电池表现出较弱的陷阱辅助复合，这归因于其优化的聚集结构。

· 引入GS-20后，陷阱辅助复合得到进一步抑制，从而提高了三元电池的Voc和FF。

· 光诱导电荷载流子线性增压萃取 (photo-CELIV) 测量 (图 4h)：

· 三元电池的载流子迁移率为1.90 × 10−4 cm2 V−1 s−1，与基于PBQx-TF:eC9-2Cl的二元电池相比适中。

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其他表征
· 紫外-可见吸收光谱 (图 1b)：GS-20薄膜的最大吸收峰位于687 nm，吸收起始波长为751 nm，对应的光学带隙 (Eg) 为1.65 eV，与PBQx-TF:eC9-2Cl共混薄膜的吸收互补。

· 循环伏安法 (CV) (图 S2b)：GS-20的HOMO和LUMO能级分别为−5.89 eV和−4.14 eV，比PBQx-TF和eC9-2Cl更深。

· 掠入射广角X射线散射 (GIWAXS) (图 1d)：

· GS-20和eC9-2Cl均表现出优先的out-of-plane方向。

· 将eC9-2Cl与20%的GS-20混合后，所得薄膜的结晶度增强，并保持一致的out-of-plane方向。

· 与流延二元薄膜相比，三元共混薄膜的π-π堆栈距离 (3.78 Å) 和结晶相干长度 (CCL, 18.5 Å) 均有所改善。

· 原子力显微镜 (AFM) (图 S8)：

· PBQx-TF:GS-20薄膜表现出明显的聚集和纤维网络形态。

· 未经后处理的PBQx-TF:eC9-2Cl薄膜的表面粗糙度 (Rq) 较小，为1.34     nm，分子聚集较弱。

· 经过后处理后，PBQx-TF:eC9-2Cl薄膜的纤维网络形态增强，相分离更明显，Rq值增大至2.60 nm。

· 三元薄膜更加均匀，Rq值最小，为1.30nm，并表现出良好的相分离。

5. 模组制备与性能测试：制备了大面积的 OPV 模组，并测量了其 I-V 曲线和 PCE，以验证该三元策略在大面积器件制备中的可行性。

此研究通过分子设计、材料合成、薄膜制备、器件组装和性能测试等一系列方法，系统地研究了GS-20 作为第三组分在提高OPV 电池性能方面的作用，并成功制备了高效且无需后处理的OPV。

本研究成功设计合成了一种新型完全融合非富勒烯受体GS-20，并将其作为第三组分引入到PBQx-TF:eC9-2Cl基有机太阳能电池中，制备了高效的免后处理有机太阳能电池。

该三元电池无需任何后处理，即可获得19.0%的高PCE，是目前已报导的免后处理有机太阳能电池中的最高效率之一。

GS-20的引入加速了薄膜沉积过程，促进了eC9-2Cl的分子聚集，并改善了分子堆栈，从而提高了器件的Voc和FF。

此外，该三元策略也适用于大面积模块的制备，使用刮涂法制备的免后处理有机太阳能模块(23.6 cm2) 获得了13.5%的PCE。

免后处理有机太阳能电池的研发与性能

研究人员设计合成了一种新型非富勒烯受体GS-20，并探讨其作为第三组分添加到PBQx-TF:eC9-2Cl基有机太阳能电池中的影响。

实验结果显示，添加GS-20的三元电池在未经任何后处理的情况下，光电转换效率 (PCE) 即可达到19.0%，是目前已报导的免后处理有机太阳能电池中的最高效率之一。

GS-20的设计与合成
GS-20具有完全融合的共轭骨架，具有高平面性，赋予其强结晶性和聚集特性。GS-20的合成路线如图S1所示。

GS-20对薄膜形成动力学的影响
通过原位紫外-可见吸收光谱测量研究了GS-20对薄膜形成动力学的影响。结果表明，GS-20的加入加速了薄膜沉积过程，缩短了薄膜形成时间。

GS-20对薄膜形貌的影响
1.GIWAXS测量显示，三元共混薄膜的π-π堆栈距离 (3.78     Å) 和结晶相干长度 (CCL, 18.5 Å) 均有所改善，表明GS-20的引入增强了eC9-2Cl的分子聚集，并调节了分子堆栈。

2.AFM测量显示，三元薄膜更加均匀，表面粗糙度 (Rq) 最小 (1.30 nm)，并表现出良好的相分离。

GS-20对器件性能的影响
1.添加GS-20的三元电池在未经任何后处理的情况下，Voc提升至0.890 V，FF提升至78.4%，最终PCE达到19.0%。

2.与二元电池相比，三元电池的能量损失更低，陷阱辅助复合得到抑制，载流子迁移率得到提高。

3.三元电池还表现出优异的热稳定性和形貌稳定性。

免后处理有机太阳能模块的制备

使用刮涂法制备了基于PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20三元共混体系的免后处理有机太阳能模块，其有效面积为23.6 cm2，获得了13.5%的PCE，证明了该三元策略在大面积器件制备中的可行性。

本研究通过分子设计和三元策略实现了一种高效的免后处理有机太阳能电池，为有机太阳能电池的工业化生产提供了新的思路。