有機太陽能電池（OPV）因其可調節(jié)的光吸收特性、輕便、柔性及在多種照明條件下的優(yōu)異表現(xiàn)，逐漸成為光伏領域研究的熱點。隨著材料設計與制備技術的進步，OPV的光伏性能顯著提升，推動其產(chǎn)業(yè)化進程。然而，高效OPV電池的制備常需復雜的后處理工藝，如退火與添加劑使用，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還限制了其實際應用。為了實現(xiàn)高效且免后處理的制備策略，形態(tài)調控技術的開發(fā)成為關鍵。
在此背景下，本研究突破性地設計并合成了新型融合非富勒烯受體GS-20，并將其作為第三組分引入PBQx-TF基有機太陽能電池中。此創(chuàng)新設計使三元電池在無需任何后處理的情況下，達到了19.0%的高功率轉換效率（PCE），成為目前已報導的免后處理OPV電池中性能最高的之一。GS-20的引入加速了薄膜沉積過程并促進了eC9-2Cl的分子聚集，改善了分子堆棧結構，從而提高了電荷傳輸效率及熱穩(wěn)定性。
研究成就與看點:
本研究設計合成了一種新型融合非富勒烯受體GS-20，并將其作為第三組分引入到PBQx-TF:eC9-2Cl基有機太陽能電池中，實現(xiàn)了高效的免后處理有機太陽能電池。
該三元電池無需任何后處理，即可獲得19.0%的高功率轉換效率 (PCE)，是目前已報導的免后處理有機太陽能電池中的高效率之一。
GS-20的引入加速了薄膜沉積過程，促進了eC9-2Cl的分子聚集，并改善了分子堆棧。
免后處理三元電池展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和形態(tài)穩(wěn)定性，在85°C的氮氣手套箱中加熱1000小時后仍能保持其初始PCE的90%。
該三元策略也適用于大面積模塊的制備，使用刮涂法制備的免后處理有機太陽能模塊 (23.6 cm2) 獲得了13.5%的PCE。
本研究提供了一種有效的分子設計策略，通過三元策略實現(xiàn)免后處理有機太陽能電池，為有機太陽能技術的產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。
一、研究團隊:
本研究由中國科學院化學研究所侯劍輝教授團隊完成。
二、研究背景
有機太陽能電池 (OPV) 因其可調節(jié)的光吸收、輕量化和柔性等特性，在多種照明條件下展現(xiàn)出巨大的應用潛力。
隨著有機半導體材料和制備方法的發(fā)展，OPV電池的光伏性能得到了顯著提升，吸引了大量關注和致力于OPV產(chǎn)業(yè)化的研究。
OPV電池的性能與許多電學過程相關，包括激子解離、電荷傳輸和復合，所有這些都受到活性層內分子聚集和相分離的影響。
因此，形態(tài)調控對于在制造過程中獲得高效OPV電池至關重要。然而，由于聚集結構主要由薄膜沉積過程中的材料結構和加工條件決定，因此需要大量投資來開發(fā)有效且通用的形態(tài)調控策略。
目前，已經(jīng)建立了多種形態(tài)調控策略，包括退火、選擇加工溶劑和添加劑、以及三元策略等。目前，添加劑和退火的組合是調節(jié)OPV電池中聚集結構和相分離廣泛使用的方法。
例如，揮發(fā)性固體添加劑已被成功開發(fā)用于調節(jié)活性層的聚集結構，使二元電池的功率轉換效率 (PCE) 超過19%。另一方面，三元策略被廣泛應用于先進的OPV電池中，以將PCE提升至約20%。
第三組分的引入可以通過選擇性地與供體或受體相互作用來調節(jié)相分離、結晶度和分子堆棧，促進電荷解離和傳輸，從而提高開路電壓 (VOC) 和填充因子 (FF)。Xie等人將第三組分Qx-5Cl引入PBDB-TF:BTP-eC9共混物中以調節(jié)結晶動力學，實現(xiàn)了19.8%的PCE。Jiang等人報導了一種基于D18:Z8:L8-BO的三元OPV電池，其PCE達到20.2%。
盡管取得了這些顯著的成就，但對于三元薄膜的形態(tài)調節(jié)，仍然需要額外的后處理，例如退火和使用添加劑。對于OPV電池的產(chǎn)業(yè)化而言，后處理需要復雜的制造工藝以及設備和時間的高成本投入，這對于工業(yè)制造來說是多樣化的。因此，有效且簡單的形態(tài)調控仍然是實現(xiàn)高效免后處理OPV電池產(chǎn)業(yè)化面臨的諸多挑戰(zhàn)。
三、解決方案
為了解決上述問題，本研究設計合成了一種新型融合非富勒烯受體GS-20。GS-20由于其高度平面的共軛骨架，表現(xiàn)出強結晶性和聚集特性。研究團隊將GS-20作為第三組分引入到高效的PBQx-TF:eC9-2Cl二元體系中，制備了三元OPV電池。
GS-20與eC9-2Cl的兼容性高于與PBQx-TF的兼容性，使其能夠誘導分子間聚集。在成膜動力學方面，PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20的三元共混物表現(xiàn)出加速的薄膜沉積過程和快速的分子聚集。
值得注意的是，與流延二元薄膜相比，三元薄膜在沒有任何后處理的情況下，顯示出增強的分子堆棧和有序性以及光滑的薄膜表面，這有利于減少非輻射能量損失和改善電荷傳輸。
因此，三元OPV電池在不使用任何添加劑和退火的情況下，實現(xiàn)了19.0%的高PCE，這對于免后處理OPV電池來說是目前先進的性能。
此外，這種三元策略對于大面積模塊的制備是可行的。使用刮涂法成功制備了免后處理OPV模塊 (23.6 cm2)，實現(xiàn)了13.5%的PCE。
四、實驗過程與步驟
材料制備:
本研究中使用的材料包括：
供體材料：PBQx-TF / 受體材料：eC9-2Cl 和 GS-20 / 界面層材料：PEDOT:PSS、NDI-Ph、ZnO、MoO3 / 電極材料：ITO、Ag、Al
GS-20的合成路線如圖S1所示。
OPV電池的制備采用了傳統(tǒng)的ITO/PEDOT:PSS/BHJ/NDI-Ph/Ag結構。
活性層材料PBQx-TF:GS-20 (D/A=1:1)、PBQx-TF:eC9-2Cl (D/A=1:1.2) 和 PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20 (D/A=1:1:0.2) 溶解在甲苯中，供體濃度為7.5 mg mL-1。
對于需要后處理的PBQx-TF:eC9-2Cl基電池，在旋涂活性層之前，將0.5 vol%的1,8-二碘辛烷添加到溶液中。
OPV模塊的制備采用了ITO/ZnO/PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20/MoO3/Al的結構。
活性層材料PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20 (D/A=1:1:0.2) 溶解在甲苯中，濃度為6 mg mL-1。
五、研究過程與成果表征
此研究采用分子設計和三元策略來實現(xiàn)高效且無需后處理的有機光伏 (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：
設計并合成了一種名為 GS-20 的新型非富勒烯受體材料。123 GS-20 具有稠合的共軛骨架，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(shù)據(jù)也一并提供以驗證化合物的結構。
2. 材料表征：
● 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(fā)光光譜，以研究它們的光吸收和發(fā)光特性。也利用循環(huán)伏安法 (CV) 測量了 GS-20 的最高占據(jù)分子軌道 (HOMO) 和低未占分子軌道 (LUMO) 能級。
● 聚集特性與形貌： 使用接觸角測量和 Flory-Huggins 參數(shù) (χ) 來評估材料的混溶性。并利用掠入射廣角 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棧。同時，使用原子力顯微鏡 (AFM) 表征了共混薄膜的形貌和表面粗糙度。
3. 薄膜制備與器件組裝：
采用旋涂法制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)。對于需要后處理的二元電池，在旋涂活性層之前，將 0.5 vol% 的 1,8-二碘辛烷 (DIO) 添加到溶液中。制備好的活性層薄膜隨后進行熱退火處理。完整的器件結構為 ITO/PEDOT:PSS/活性層/NDI-Ph/Ag。
此外，使用刮刀涂布法制備了大面積的三元 OPV 模塊，器件結構為 ITO/ZnO/PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20/MoO3/Al。
4. 器件性能測試與分析：
本研究采用了多種表征手段來分析材料的性質和器件的性能，包括光譜分析、形貌表征和器件性能測試等。
器件性能表征
電流密度-電壓 (J-V) 特性曲線 (圖 4a)：
PBQx-TF:GS-20基電池由于分子能級偏移較大，開路電壓 (Voc) 較低，為0.845 V，填充因子 (FF) 為74.9%，最終PCE為9.94%。
未經(jīng)后處理的PBQx-TF:eC9-2Cl基電池獲得了17.1%的PCE，Voc為0.886 V，短路電流密度 (Jsc) 為26.7 mA cm-2，FF為72.4%。
經(jīng)過后處理的PBQx-TF:eC9-2Cl基電池PCE提升至17.7%，Voc為0.857 V，Jsc為27.0 mA cm-2，FF提升至76.6%。
引入GS-20的三元電池在未經(jīng)任何后處理的情況下，Voc顯著提升至0.890 V，FF提升至78.4%，最終PCE達到19.0%。
外量子效率 (EQE) 曲線 (圖 4b)： EQE曲線顯示，三元電池在整個光譜范圍內都具有較高的EQE值，表明其能夠有效地將光子轉化為電子。
電致發(fā)光外量子效率 (EQEEL) 測量 (圖 4c)：
三元電池的EQEEL值 (1.77 × 10?4) 明顯高于基于PBQx-TF:eC9-2Cl的電池 (9.21 × 10?5)，但略低于未經(jīng)后處理的二元電池 (2.26 × 10?4)。
這表明GS-20的引入可以調節(jié)聚集結構，減少非輻射復合損失。
光強依賴性Voc測量 (圖 4e)：
三元電池的Voc與光強關系曲線的斜率為1.14 kT/q，表明其具有最小的陷阱輔助復合。
光強依賴性Jsc測量 (圖 4f)： 所有OPV電池的指數(shù)因子 (α) 均接近0.98，表明雙分子復合對器件性能的影響較小。
瞬態(tài)光電流 (TPC) 測量 (圖 4g)：
與未經(jīng)后處理的電池相比，經(jīng)過后處理的PBQx-TF:eC9-2Cl基電池表現(xiàn)出較弱的陷阱輔助復合，這歸因于其優(yōu)化的聚集結構。
引入GS-20后，陷阱輔助復合得到進一步抑制，從而提高了三元電池的Voc和FF。
光誘導電荷載流子線性增壓萃取 (photo-CELIV) 測量 (圖 4h)：
三元電池的載流子遷移率為1.90 × 10?4 cm2 V?1 s?1，與基于PBQx-TF:eC9-2Cl的二元電池相比適中。
其他表征
紫外-可見吸收光譜 (圖 1b)： GS-20薄膜的最大吸收峰位于687 nm，吸收起始波長為751 nm，對應的光學帶隙 (Eg) 為1.65 eV，與PBQx-TF:eC9-2Cl共混薄膜的吸收互補。
循環(huán)伏安法 (CV) (圖 S2b)： GS-20的HOMO和LUMO能級分別為?5.89 eV和?4.14 eV，比PBQx-TF和eC9-2Cl更深。
掠入射廣角X射線散射 (GIWAXS) (圖 1d)：
GS-20和eC9-2Cl均表現(xiàn)出優(yōu)先的out-of-plane方向。
將eC9-2Cl與20%的GS-20混合后，所得薄膜的結晶度增強，并保持一致的out-of-plane方向。
與流延二元薄膜相比，三元共混薄膜的π-π堆棧距離 (3.78 ?) 和結晶相干長度 (CCL, 18.5 ?) 均有所改善。
原子力顯微鏡 (AFM) (圖 S8)：
PBQx-TF:GS-20薄膜表現(xiàn)出明顯的聚集和纖維網(wǎng)絡形態(tài)。
未經(jīng)后處理的PBQx-TF:eC9-2Cl薄膜的表面粗糙度 (Rq) 較小，為1.34 nm，分子聚集較弱。
經(jīng)過后處理后，PBQx-TF:eC9-2Cl薄膜的纖維網(wǎng)絡形態(tài)增強，相分離更明顯，Rq值增大至2.60 nm。
三元薄膜更加均勻，Rq值最小，為1.30 nm，并表現(xiàn)出良好的相分離。
5. 模塊制備與性能測試： 制備了大面積的 OPV 模塊，并測量了其 I-V 曲線和 PCE，以驗證該三元策略在大面積器件制備中的可行性。
此研究通過分子設計、材料合成、薄膜制備、器件組裝和性能測試等一系列方法，系統(tǒng)地研究了 GS-20 作為第三組分在提高 OPV 電池性能方面的作用，并成功制備了高效且無需后處理的 OPV
六、研究成果
本研究成功設計合成了一種新型融合非富勒烯受體GS-20，并將其作為第三組分引入到PBQx-TF:eC9-2Cl基有機太陽能電池中，制備了高效的免后處理有機太陽能電池。
該三元電池無需任何后處理，即可獲得19.0%的高PCE，是目前已報導的免后處理有機太陽能電池中的高效率之一。 GS-20的引入加速了薄膜沉積過程，促進了eC9-2Cl的分子聚集，并改善了分子堆棧，從而提高了器件的Voc和FF。
此外，該三元策略也適用于大面積模塊的制備，使用刮涂法制備的免后處理有機太陽能模塊 (23.6 cm2) 獲得了13.5%的PCE。
免后處理有機太陽能電池的研發(fā)與性能
研究人員設計合成了一種新型非富勒烯受體GS-20，并探討其作為第三組分添加到PBQx-TF:eC9-2Cl基有機太陽能電池中的影響。
實驗結果顯示，添加GS-20的三元電池在未經(jīng)任何后處理的情況下，光電轉換效率 (PCE) 即可達到19.0%，是目前已報導的免后處理有機太陽能電池中的高效率之一。
GS-20的設計與合成
GS-20具有融合的共軛骨架，具有高平面性，賦予其強結晶性和聚集特性。 GS-20的合成路線如圖S1所示。
GS-20對薄膜形成動力學的影響
通過原位紫外-可見吸收光譜測量研究了GS-20對薄膜形成動力學的影響。結果表明，GS-20的加入加速了薄膜沉積過程，縮短了薄膜形成時間。
GS-20對薄膜形貌的影響
GIWAXS測量顯示，三元共混薄膜的π-π堆棧距離 (3.78 ?) 和結晶相干長度 (CCL, 18.5 ?) 均有所改善，表明GS-20的引入增強了eC9-2Cl的分子聚集，并調節(jié)了分子堆棧。
AFM測量顯示，三元薄膜更加均勻，表面粗糙度 (Rq) 最小 (1.30 nm)，并表現(xiàn)出良好的相分離。
GS-20對器件性能的影響
添加GS-20的三元電池在未經(jīng)任何后處理的情況下，Voc提升至0.890 V，FF提升至78.4%，最終PCE達到19.0%。
與二元電池相比，三元電池的能量損失更低，陷阱輔助復合得到抑制，載流子遷移率得到提高。
三元電池還表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和形貌穩(wěn)定性。
免后處理有機太陽能模塊的制備
使用刮涂法制備了基于PBQx-TF:eC9-2Cl:GS-20三元共混體系的免后處理有機太陽能模塊，其有效面積為23.6 cm2，獲得了13.5%的PCE，證明了該三元策略在大面積器件制備中的可行性。
本研究通過分子設計和三元策略實現(xiàn)了一種高效的免后處理有機太陽能電池，為有機太陽能電池的工業(yè)化生產(chǎn)提供了新的思路。
文獻參考自Advanced Energy Material_DOI: 10.1002/aenm.202404482
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