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香港理大李剛團(tuán)隊(duì):再混合策略提升非融合OSC效率至17.2%

發(fā)表時(shí)間:2024/9/23 16:41:23

前言

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香港理工大學(xué) Prof.李剛團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials中發(fā)表了一項(xiàng)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(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)的深入研究,研究人員通過(guò)在受體前體中加入20 wt%PTQ10聚合物供體,將器件的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE15.11%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(shí)熱力學(xué)因素的重要性。通過(guò)將活性層材料更換為PBQx-TF/TBT-26PTQ11,并使用相同的加工策略,研究人員實(shí)現(xiàn)了非共軛環(huán)受體系統(tǒng)17.21%的效率,達(dá)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(yáng)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(shí)驗(yàn)表明,PTQ10的加入能夠增強(qiáng)極化子的生成和空穴傳輸過(guò)程,同時(shí)抑制自由電荷載流子的復(fù)合。進(jìn)一步的形態(tài)學(xué)表征和光電特性分析揭示了PTQ10PM6對(duì)A4T-16結(jié)晶的不同調(diào)節(jié)作用,以及它們對(duì)器件性能的影響。

總結(jié)來(lái),這項(xiàng)研究提出了一種有效的策略來(lái)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。

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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(duì)照組:顯示無(wú)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(hào)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(dòng)力學(xué):

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

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

這些圖表揭示了PTQ10PM6對(duì)系統(tǒng)中電荷動(dòng)力學(xué)和極化子生成的影響。



論點(diǎn)與研究方式
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主要論點(diǎn)是探討不同的層層(LBL)加工技術(shù)對(duì)有機(jī)太陽(yáng)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(lái)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,PTQ10PM6,來(lái)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(duì)電荷生成有額外的貢獻(xiàn),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PTQ10PM6A4T-16層。這些材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和制備過(guò)程如圖1a所示。

l   光譜分析:利用紫外-可見(jiàn)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PTQ10PM6的薄膜在0-0振動(dòng)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(cè)量:通過(guò)測(cè)量水和乙二醇在薄膜上的接觸角來(lái)評(píng)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(dòng)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(guò)程:

ITO基板經(jīng)過(guò)清洗,包括使用去離子水、丙酮和異丙醇進(jìn)行超聲波清洗,并在烘箱中過(guò)夜干燥。玻璃基板在使用前經(jīng)過(guò)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(guò)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%DIO作為添加劑。PTQ10PM6直接溶解在A4T-16溶液中。D18A4T-16溶液在100°C預(yù)熱后進(jìn)行旋涂。旋涂后,進(jìn)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(guò)陰影掩膜蒸發(fā)沉積Ag

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a)      UV–vis Absorption Profiles:這張圖展示了D18/A4T-16控制薄膜、摻雜20% PTQ1020% PM6的薄膜的紫外-可見(jiàn)光吸收譜。

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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(píng)估太陽(yáng)能電池電性能的關(guān)鍵,包括開(kāi)路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)和填充因子(FF)。

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

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d) Normal Distribution of PCEs:三個(gè)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(jì)視圖。

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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(huì)影響整體效率。

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f) EQE-EL(電致發(fā)光-外部量子效率)數(shù)據(jù):通過(guò)比較EQEEQE-EL數(shù)據(jù),研究者可以評(píng)估設(shè)備中非輻射和輻射復(fù)合的比例。這些信息對(duì)于理解和優(yōu)化有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量損失機(jī)制至關(guān)重要,因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懙皆O(shè)備的功率轉(zhuǎn)換效率

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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(yáng)能電池中的電荷提取和復(fù)合動(dòng)力學(xué)。這些測(cè)量提供了電荷提取速度和效率以及復(fù)合對(duì)性能影響的見(jiàn)解。

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h) TPV Curves:瞬態(tài)光電壓(TPV)曲線用于分析太陽(yáng)能電池中的電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué)。TPV測(cè)量提供了關(guān)于電荷載流子壽命的信息,這是決定太陽(yáng)能電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。助于評(píng)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。

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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(jì)算值,這是決定太陽(yáng)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(yáng)能電池光學(xué)和電氣特性的詳細(xì)分析,幫助理解不同材料組成對(duì)其性能的影響。



表征

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研究團(tuán)隊(duì)使用光焱科技的QE-R3011太陽(yáng)光電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。


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特性和測(cè)量:

活性層的厚度使用Bruker Dektak XT探針式表面測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。太陽(yáng)光電池的電流密度-電壓(J-V)曲線使用Keysight B2901A源表在AM 1.5G100 mW cm?2)條件下測(cè)量,使用Enlitech太陽(yáng)光模擬器(SS-X)。裝置的接觸面積為0.042 cm2,測(cè)試時(shí)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EnlitechQE-R太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)波長(zhǎng)的光強(qiáng)度使用標(biāo)準(zhǔn)單晶硅光伏電池進(jìn)行校準(zhǔn)。

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


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


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Figure S4: A4T-16薄膜的二維等高線圖和代表性的時(shí)間相關(guān)光譜,這些薄膜是用PTQ10PM6摻雜的。


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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
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這些研究方法和步驟有助于揭示不同摻雜材料對(duì)有機(jī)太陽(yáng)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(guò)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(xiàn)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(qiáng)調(diào)了再混合策略在實(shí)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(kāi)路電壓(Voc)和填充因子(FF)。

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

碳中和的推動(dòng):這些成就對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)碳中和目標(biāo)的實(shí)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(jī)太陽(yáng)能電池效率方面的潛力,并為未來(lái)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(tuán)隊(duì)在有機(jī)太陽(yáng)能電池效率上取得了顯著突破。他們通過(guò)供體-受體層間再混合策略,成功將非共軛受體有機(jī)太陽(yáng)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(lái)研究提供了新的方向。該研究的成功為推動(dòng)有機(jī)太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)更高的能源轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ)。

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文獻(xiàn)參考自Advanced Functional Materials_Doi:DOI: 10.1002/adfm.202411286

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