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齐聚物半导体通过调节预聚集和结晶动力学实现了高效的露天加工有机太阳能电池

锂电联盟会长 2023-11-25 11:03
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有机太阳能电池（OSCs）是最有潜⼒的光伏技术之⼀，具有重量轻、柔性、半透明和⼤规模加⼯等优势。然⽽，目前高效的OSCs器件⼤多是经过含卤溶剂（如氯苯、氯仿等）制备，通常需要额外的后处理步骤，如热退⽕（TA）和溶剂蒸⽓退⽕（SVA），这不利于⼤⾯积制造。因此，绿⾊溶剂加工制备高效的OSCs器件已成为当今OSCs的研究热点，对于实现OSCs产业化⾄关重要。

针对OSCs制备存在的问题，近日，常州大学朱卫国教授团队和香港理工大学李刚教授团队合作，创新发明了两种A-D-A-D-A型低聚物，5BDDBDT-F和5BDDBDT-Cl。通过A-D-A-D-A型齐聚物调控了OSCs活性层材料的预聚集和结晶动力学，并在空气中通过绿色溶剂加工，制备了高效、无后处理、大面积（1 cm2）刮涂的有机太阳能电池。
图1. 齐聚物策略⽰意图及相应器件的J- V曲线。图片来源：Energy Environ. Sci.

由于齐聚物结合了小分子和聚合物的特点，具有确定的分子结构，较长的共轭主链，与聚合物给体和小分子受体都有较好的兼容性。因此，齐聚物材料是调节活性层形貌的合适选择。常州大学和香港理工大学团队共同开发了两种A-D-A-D-A型齐聚物，并将其掺⼊⼆元OSCs中，通过⾮原位和原位表征，揭示了潜在的⼯作机制。研究发现：(1) 在旋涂器件和刮涂器件的活性层制备过程中，两种齐聚物都能促进给受体的预聚集和聚集速率，同时还可以作为桥接剂来修复界⾯缺陷，从⽽减少⾮辐射复合损失。(2) 使⽤⾮⻧化溶剂（邻⼆甲苯），且在没有进⾏任何后处理的情况下，基于PM6:5BDDBDT-F:BTP-eC9和PM6:5BDDBDT-Cl:BTP-eC9的三元OSCs获得了良好的性能，其PCE分别为18.32%和18.43%。(3) 在相同的加工条件下，基于PM6:5BDDBDT-F:BTP-eC9和PM6:5BDDBDT-Cl:BTP-eC9的⼤⾯积（1cm2）刮涂器件，在露天环境下分别获得17.11%和17.06%的⾼PCE，这也是刮涂OSCs在露天条件下的最⾼PCE值之⼀。
图2. 旋涂器件及刮涂器件的J-V和EQE曲线，文献报道效率统计图，以及旋涂过程中的In-situ UV曲线。图片来源：Energy Environ. Sci.

总之，该工作表明齐聚物策略通过调整活性层的两相转变（液体到液体和液体到固体的转变）来有效控制结晶动⼒学，以及减少的界⾯缺陷和抑制的⾮辐射复合损失。并且揭示了活性层制备过程中的成膜动力学，结晶动力学和器件物理机制，为深入了解活性层的成膜动⼒学、器件物理和器件性能之间的相关性提供了新的⻅解，并对制备高效刮涂OSCs具有重要的指导意义。

这一成果近期发表在Energy & Environmental Science 上，文章的第一作者是常州大学博士、香港理工大学博士后夏浩，通讯作者分别是香港理工大学博士后张颖、香港理工大学李刚教授以及常州大学朱卫国教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Oligomeric semiconductors enable high efficiency open air processed organic solar cells by modulating pre-aggregation and crystallization kinetics
Hao Xia, Ying Zhang, Kuan Liu, Wanyuan Deng, Mengbing Zhu, Hua Tan, Patrick W. K. Fong, Heng Liu, Xinxin Xia, Miao Zhang, Top Archie Dela Peña, Ruijie Ma, Mingjie Li, Jiaying Wu, Yongwen Lang, Jiehao Fu, Wai-Yeung Wong, Xinhui Lu, Weiguo Zhu, Gang Li
Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D3EE02984K

导师介绍
朱卫国
https://www.x-mol.com/university/faculty/14268

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