南昌大学陈义旺教授在本体异质结有机太阳能电池垂直相分离结构控制方面取得重要进展

laorou

近日，南昌大学的陈义旺教授团队与Georgia Institute of Technology的Elsa Reichmanis院士、王刚博士（现美国西北大学博士后）合作在《ACS Nano》发表了题为“Vertical Stratification Engineering for Organic Bulk-Heterojunction Devices”的文章。在工作中，作者基于之前的界面材料研究基础上（Advanced Materials, 2016, 28, 4852-4860， ACS Applied Materials & Interfaces， 2017, 9, 9204-9212），通过调节的界面层的表面能和不同活性层本体异质结体系（包括富勒烯衍生物和非富勒烯体系）给受体材料的表面能差异，并结合连续旋涂法制备多层本体异质结结构的方法，获得具有不同垂直相分离结构的本体异质结结构，并对比具有不同垂直相分离结构的正向和反向有机太阳能电池的器件性能，提出了“有机太阳能电池器件性能-活性层垂直相分离结构-材料表面能和吸收光谱”之间的关系。

随着近年来新型的给受体材料的发展，有机太阳能电池的器件效率已经突破14%。通过使用添加剂和不同的界面材料可以改善活性层与电极材料间的接触及本体异质结的微观形貌，在以往的研究中，器件性能的提高主要归因于材料结晶性和相尺寸等因素的改善。活性层本体异质结的垂直相分离结构，作为活性层共混溶液旋涂成膜过程中一个自发演变形成的结果，近年来并没有受到广泛的重视和研究。然而，基于高性能的非富勒烯体系的垂直相分离结构研究是十分必要的，有助于我们理解和进一步提高非富勒烯体系有机太阳能电池的光电转换性能。

图1 给受体材料的分子结构与本体异质结内给受体材料的垂直相分离结构

因此，作者基于已报道的富勒烯体系的研究的基础上，深入地研究了富勒烯体系中给受体材料与界面材料的表面能大小与垂直相分离结构的关系（图1）。作者发现，经典的界面材料的表面能通常远远高于给受体材料的表面能，而常用的受体材料具有较给体材料的更高的表面能，这会导致受体材料通常容易沉积在界面材料修饰后的ITO电极表面，而低表面能的给体材料倾向于暴露在本体异质结外侧，形成一个热力学稳定的状态。通过降低界面材料的表面能，受体材料在ITO电极表面的富集程度会降低，给体材料的量会得到明显增加，有效地调整了本体异质结的垂直相分离结构。有趣的是，随着给体材料在ITO表面的富集程度的增加，受体材料的外量子效率得到了明显提高，而给体材料的外量子效率有所下降，且三种不同的给体材料体系均表现出相同的行为。由于富勒烯受体材料的吸收主要集中在蓝光区，而给体材料的吸收主要集中在红光区，垂直相分离结构的变化导致蓝光区的外量子效率有明显提高，但对短路电流密度有明显贡献的红光区的外量子效率的降低使得器件性能的提高受到抑制。通过使用较低表面能的ZnO/MPPA界面材料，基于PTB7-Th:PC71BM体系的有机太阳能电池达到了10.6%的光电转换效率。

而非富勒烯体系受体材料的吸光主要集中在红光区，通过降低界面材料的表面能，应该可以提高红光区的外量子效率。为了排除不同界面材料对器件性能的影响，作者采用连续旋涂具有不同给受体比例和总浓度的活性层溶液制备垂直相分离结构（图2），最终证实非富勒烯体系也遵循着相同的规律。具有较高表面能的ITIC受体富集在ITO/ZnO表面（图3），随着ITIC在ITO/ZnO表面的富集程度增高，ITIC受体材料的外量子效率逐渐降低，而PBDB-T给体材料的外量子效率得到增加。因而，降低ITO/ZnO的表面能，更有利于获得高的短路电流密度。而使用连续旋涂法得到的形貌并不稳定，通过使用MPPA分子降低基底的表面能并获得稳定的优化的垂直相分离结构，器件性能提高到了10.8%。

图2 非富勒烯体系的器件性能（a）及外量子效率（b）曲线

图3 非富勒烯体系的本体异质结的垂直相分离结构及结构稳定性

该研究提出了一个理论模型，由于长波长区域的EQE增加有利于得到更高的短路电流密度，而某一组分EQE的增加可能会伴随着另一组分的EQE的降低。对于富勒烯体系，使用高表面能的界面材料提高受体在基底表面的富集程度有利于得到更高的短路电流密度，而对于非富勒烯体系，使用低表面能的界面材料使给体在基底表面的富集程度有利于得到更高的短路电流密度（图4）。简言之，可以通过调节界面材料的表面能，得到全光谱内更均衡的EQE值和更高的短路电流密度。

图4 提出的理论模型“经由界面材料表面能来调节本体异质结垂直相分离进而提高器件光伏性能”

该研究对未来给受体材料和界面材料的分子功能化设计以及如何进一步通过优化活性层形貌来提高有机太阳能的器件性能提供了新的思路和方法。该工作的第一作者为南昌大学化学学院的博士研究生黄立强，Georgia Institute of Technology的博士王刚，及南昌大学材料学院的周魏华副教授，南昌大学为第一通讯单位，通讯作者为陈义旺教授、Elsa Reichmanis院士及王刚博士。同时，中国科学院化学所李韦伟研究员团队、华中科技大学的周印华教授团队及西安交通大学马伟教授团队对该工作的研究和完善做出了突出贡献。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.8b00439?mi=aayia761&af=R&AllField=nano&target=default&targetTab=std