前言

香港理工大學(xué) Prof.李剛團隊在《Advanced Functional Materials》中發(fā)表了一項研究結(jié)果。混合供體/受體材料。關(guān)于非共軛環(huán)受體有機太陽能電池（OSCs）的深入研究，研究人員通過在受體前體中加入20 wt%的PTQ10聚合物供體，將器件的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）從15.11%提升至16.03%。然而，使用相同比例的PM6卻導(dǎo)致效率顯著下降，表明在考慮垂直分布時熱力學(xué)因素的重要性。通過將活性層材料更換為PBQx-TF/TBT-26和PTQ11，并使用相同的加工策略，研究人員實現(xiàn)了非共軛環(huán)受體系統(tǒng)17.21%的效率，達到了前沿水平。研究還深入理解了活性層的垂直形態(tài)，并突出了器件工程和太陽能電池性能的吸引力。

研究結(jié)果顯示，PTQ10的加入增加了額外的電荷生成界面，并抑制了雙分子復(fù)合反應(yīng)，而PM6由于其較高的表面張力導(dǎo)致了不利的垂直相分離。光物理實驗表明，PTQ10的加入能夠增強極化子的生成和空穴傳輸過程，同時抑制自由電荷載流子的復(fù)合。進一步的形態(tài)學(xué)表征和光電特性分析揭示了PTQ10和PM6對A4T-16結(jié)晶的不同調(diào)節(jié)作用，以及它們對器件性能的影響。

總結(jié)來，這項研究提出了一種有效的策略來優(yōu)化非共軛環(huán)受體OSCs的性能，并展示了一種提高PCE的方法，并探討了提高功率轉(zhuǎn)換效率的方法，這為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了有益的參考。

圖 3：三種系統(tǒng)的飛秒瞬態(tài)吸收光譜（fs-TAS）二維等高線圖和代表性光譜：

(a) 對照組：顯示無任何添加劑的基線光譜。

(b) + 20% PTQ10：顯示添加20% PTQ10后的光譜，表明瞬態(tài)吸收信號的變化。

(c) + 20% PM6：展示添加20% PM6后的光譜，顯示與PTQ10相比的不同光譜特征。

(d) 極化子動力學(xué)：

上圖：歸一化的 ΔT/T 隨時間變化，比較對照組和PTQ10系統(tǒng)，突出展示解離和復(fù)合動力學(xué)。

下圖：激發(fā)后7納秒的光譜，聚焦于長壽命極化子，藍色表示PM6系統(tǒng)。

這些圖表揭示了PTQ10和PM6對系統(tǒng)中電荷動力學(xué)和極化子生成的影響。

論點與研究方式

主要論點是探討不同的層層（LBL）加工技術(shù)對有機太陽能電池性能的影響，特

別是供體-受體的垂直分布如何影響電荷生成和光子捕獲。

層層（LBL）加工技術(shù)：研究中采用了層層加工技術(shù)來制備供體-受體的垂直分布。這種方法有助于形成部分混合且分層的供體-受體結(jié)構(gòu)，從而提高電池的效率。

材料選擇與優(yōu)化：研究者選擇了兩種商業(yè)可用的聚合物供體，PTQ10和PM6，來優(yōu)化D18/A4T-16系統(tǒng)的性能。PTQ10的引入成功形成了再混合相，對電荷生成有額外的貢獻，使效率從15.11%提升至16.03%。

研究方法和步驟包括：

l   材料制備與加工：使用LBL加工技術(shù)制備底層D18和上層A4T-16或摻雜PTQ10或PM6的A4T-16層。這些材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和制備過程如圖1a所示。

l   光譜分析：利用紫外-可見光吸收光譜（UV-Vis）分析不同LBL加工薄膜的聚集特性。結(jié)果顯示，摻雜PTQ10和PM6的薄膜在0-0振動峰上表現(xiàn)出更好的有序聚集。

l   形態(tài)學(xué)分析：使用原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）分析活性層的形態(tài)。結(jié)果顯示，PTQ10導(dǎo)致了更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而PM6則形成了更分離的結(jié)構(gòu)。

l   表面張力測量：通過測量水和乙二醇在薄膜上的接觸角來評估材料的表面張力。結(jié)果表明，PTQ10的表面張力較低，導(dǎo)致其在A4T-16的頂部富集，形成了額外的供體-受體混合區(qū)域。

l   光電特性分析：使用飛秒瞬態(tài)吸收光譜（fs-TAS）技術(shù)研究供體-受體界面的電荷生成和重組動力學(xué)。結(jié)果表明，PTQ10摻雜的樣品中單線態(tài)激子更容易解離。

制備過程：

ITO基板經(jīng)過清洗，包括使用去離子水、丙酮和異丙醇進行超聲波清洗，并在烘箱中過夜干燥。玻璃基板在使用前經(jīng)過UV-Ozone處理30分鐘。PEDOT（一種導(dǎo)電聚合物）被旋涂在ITO基板上，旋轉(zhuǎn)速度為6500 rpm，持續(xù)30秒，然后在170°C下干燥15分鐘。D18層通過旋涂4 mg/ml的氯仿溶液沉積，而A4T-16層則溶解在XY中，濃度為15 mg/ml，并添加0.5 vol%的DIO作為添加劑。PTQ10和PM6直接溶解在A4T-16溶液中。D18和A4T-16溶液在100°C預(yù)熱后進行旋涂。旋涂后，進行100°C熱板上的熱退火處理5分鐘。在活性層上涂覆一層薄的PFN-Br層（在甲醇中，濃度為0.5 mg/mL），然后通過陰影掩膜蒸發(fā)沉積Ag。

a)      UV–vis Absorption Profiles：這張圖展示了D18/A4T-16控制薄膜、摻雜20% PTQ10和20% PM6的薄膜的紫外-可見光吸收譜。

b) J–V Characteristics：這部分展示了不同薄膜組合的電流密度-電壓（J-V）特性曲線。這些曲線是評估太陽能電池電性能的關(guān)鍵，包括開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）。

c) EQE Spectra：外部量子效率（EQE）譜圖顯示了太陽能電池將吸收的光子轉(zhuǎn)化為電流的效率。

d) Normal Distribution of PCEs：三個系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs）的正態(tài)分布，提供了設(shè)備性能一致性和變異性的統(tǒng)計視圖。

e) FTPS-EQE and f) EQE-EL Data： FTPS-EQE（傅里葉變換光電流光譜-EQE）和EQE-EL（電致發(fā)光-EQE）數(shù)據(jù)幫助理解設(shè)備中的非輻射和輻射復(fù)合損失，這些損失會影響整體效率。

f) EQE-EL（電致發(fā)光-外部量子效率）數(shù)據(jù)：通過比較EQE和EQE-EL數(shù)據(jù)，研究者可以評估設(shè)備中非輻射和輻射復(fù)合的比例。這些信息對于理解和優(yōu)化有機太陽能電池的能量損失機制至關(guān)重要，因為它們直接影響到設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換效率

g) TPC and h) TPV Curves：瞬態(tài)光電流（TPC）和瞬態(tài)光電壓（TPV）曲線用于分析太陽能電池中的電荷提取和復(fù)合動力學(xué)。這些測量提供了電荷提取速度和效率以及復(fù)合對性能影響的見解。

h) TPV Curves：瞬態(tài)光電壓（TPV）曲線用于分析太陽能電池中的電荷復(fù)合動力學(xué)。TPV測量提供了關(guān)于電荷載流子壽命的信息，這是決定太陽能電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。助于評估和優(yōu)化電池的電荷提取效率和復(fù)合損失，從而提高整體性能。

i) Derived Lifetime Values：這部分展示了不同系統(tǒng)中電荷載流子壽命的計算值，這是決定太陽能電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

總體而言，圖2提供了太陽能電池光學(xué)和電氣特性的詳細分析，幫助理解不同材料組成對其性能的影響。

表征

研究團隊使用光焱科技的QE-R3011太陽光電池光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)進行測量。

特性和測量：

活性層的厚度使用Bruker Dektak XT探針式表面測量儀進行測量。太陽光電池的電流密度-電壓（J-V）曲線使用Keysight B2901A源表在AM 1.5G（100 mW cm?2）條件下測量，使用Enlitech太陽光模擬器(SS-X)。裝置的接觸面積為0.042 cm2，測試時的照明面積為0.041 cm2，由掩膜確定。外部量子效率（EQE）光譜使用Enlitech的QE-R太陽能電池光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)進行測量。每個波長的光強度使用標(biāo)準(zhǔn)單晶硅光伏電池進行校準(zhǔn)。

Figure S1:通過UV-Vis吸收光譜測量的聚合物聚集情況的擬合分析結(jié)果。

Figure S3: PTQ10組分優(yōu)化的詳細信息，包括J-V特性和EQE光譜。

Figure S4: A4T-16薄膜的二維等高線圖和代表性的時間相關(guān)光譜，這些薄膜是用PTQ10和PM6摻雜的。

Figure S5:活性層的AFM高度圖和TEM圖像，用于分析薄膜的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

結(jié)果

這些研究方法和步驟有助于揭示不同摻雜材料對有機太陽能電池性能的影響，特別是在電荷生成和光子捕獲方面的差異。

效率提升：通過在受體富集的頂層引入額外的聚合物供體（如PTQ10），成功形成了再混合相，成為額外的電荷生成貢獻者。這一策略使D18(CF)/A4T-16(o-XY)系統(tǒng)的效率從15.11%提升至16.03%。

垂直分布的重要性：研究強調(diào)了再混合策略在實現(xiàn)理想垂直分布中的重要性。這種分布有助于抑制雙分子復(fù)合，從而提高短路電流（Jsc）、開路電壓（Voc）和填充因子（FF）。

新系統(tǒng)的高效率：通過將該策略應(yīng)用于新報道的PBQx-TF/TBT-26系統(tǒng)，并加入20%的PTQ11，實現(xiàn)了17.21%的效率，代表了非共軛環(huán)受體有機太陽能電池的前沿水平。

碳中和的推動：這些成就對于進一步推動碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。

這些結(jié)果展示了再混合策略在提升有機太陽能電池效率方面的潛力，并為未來的研究和應(yīng)用提供了新的方向。

香港理工大學(xué) Prof.李剛團隊在有機太陽能電池效率上取得了顯著突破。他們通過供體-受體層間再混合策略，成功將非共軛受體有機太陽能電池的效率提升至17.2%。這一成果不僅展示了再混合策略在優(yōu)化電池性能方面的潛力，還為未來研究提供了新的方向。該研究的成功為推動有機太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用以及實現(xiàn)更高的能源轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ)。

文獻參考自Advanced Functional Materials_Doi:DOI: 10.1002/adfm.202411286

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