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陳義旺課題組 AFM：通過納米壓印結合順序旋涂策略實現具有垂直梯度分布的高效準平面異質結有機太陽電池

2022-11-06 來源：高分子科技

近年來，有機太陽電池(OSCs)因質輕、半透明、可溶液加工等優點，已成為極具發展前景的可再生綠色轉化技術之一，體現了巨大的應用潛力。當前，得益于新材料的設計開發及活性層形貌的優化，基于本體異質結(BHJ)結構器件的功率轉換效率(PCEs)已超過19%。但是，如何精準調控活性層形貌，形成梯度分布結構的給受體組分來提高電荷的傳輸與收集和減少復合仍然是一項挑戰。為了解決這一問題，研究者們采用了順序沉積給體和受體的方法調控活性層梯度分布，這一策略不僅可以降低給體和受體材料相互作用的復雜性，還能使給受體分別富集在陽極和陰極，從而大大提高電荷的傳輸和利用效率。然而，目前高效體系中的給體/受體材料均易溶于氯仿、氯苯和甲苯等溶劑中，正交溶劑較難選擇且效率較低，所以如何減少上層溶液對下層薄膜的侵蝕，仍是準平面異質結（PPHJ）有機太陽電池需要探究的難題。

為了精確調控活性層梯度分布并解決順序沉積中上層溶液的沖刷問題，南昌大學/江西師范大學陳義旺教授團隊報道了一種將納米壓印技術和順序沉積相結合的策略，首次制備了高質量的PM6納米光柵，使給體/受體受限結晶，以精確地調節垂直相分離形態。研究人員采用2 μm光柵模板，探究了不同溫度下納米壓印對于薄膜形貌及器件性能的影響。測試結果發現，納米壓印可以極大的提高給體的結晶性，有效地抑制了在順序沉積過程中上層溶劑對下層薄膜的侵蝕，因此在壓印后的PM6/Y6的PPHJ薄膜中，Y6更趨于在活性層表面聚集，而PM6趨向在活性層底部聚集，在垂直方向形成了具有良好梯度分布的活性層形貌。不僅如此，由于納米壓印的作用，PM6/Y6的結晶取向也得到了優化，形成了規整的電荷傳輸通道，提高了激子分離效率和電荷的傳輸性能。而且由于活性層中形成了光柵結構，對光的利用率得到了大幅增強，使得短路電流有所增強。最終，在壓印溫度為150 ℃時器件性能最優，PCE從15.46%提高到17.36%，FF從70.93%提高到76.40%。這些結果表明，納米壓印結合順序旋涂的策略是一種調控垂直相分離形態以獲得更好的器件性能的有效方法。

圖1 整個納米壓印實驗流程圖。(a)玻璃干燥器中FDTS防粘層真空蒸發示意圖。(b)聚合物給體PM6和小分子Y6的化學結構。(c)轉移到給體膜表面的實驗示意圖。(d)硅模板的平面和截面掃描電鏡圖像。(e) 壓印PMY/Y6后的器件結構圖。(f)納米壓印處理前后活性層垂向成分演化示意圖。

圖2 (a) 壓印PM6和(b) 壓印PM6/Y6在150 °C下的光學顯微鏡圖(OM)和深度圖。(c) 150 °C下壓印PM6的平面和(d) 截面掃描電鏡圖。(e) 壓印PM6/Y6的截面掃描電鏡圖與放大圖。原子力顯微鏡 (AFM) 和相圖(f) PM6和(g) PM6/Y6，(h) 壓印PM6和 (i) 壓印PM6/Y6在150℃下的相圖。

本論文發表于國際材料頂級期刊 Advanced Functional Materials （IF = 19.924）上，題為“Nanoimprint Lithography-Dependent Vertical Composition Gradient in Pseudo-Planar Heterojunction Organic Solar Cells Combined with Sequential Deposition”。本文通訊作者為陳義旺教授以及南昌大學談利承教授，第一作者為南昌大學博士研究生毛厚東，共同第一作者為江西師范大學張立福博士。

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202209152

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（責任編輯：xu）

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