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香港理大李刚团队：再混合策略提升非融合OSC效率至17.2%
2024/09/23 16:44
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方案摘要：
产品配置单：
光焱科技QE-R量子效率系统
型号： QE-R
产地： 台湾
品牌： 光焱科技
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方案详情：
香港理工大学 Prof.李刚团队在《Advanced Functional Materials》中发表了一项研究结果。混合供体/受体材料。关于非共轭环受体有机太阳能电池（OSCs）的深入研究，研究人员通过在受体前体中加入20 wt%的PTQ10聚合物供体，将器件的功率转换效率（PCE）从15.11%提升至16.03%。然而，使用相同比例的PM6却导致效率显著下降，表明在考虑垂直分布时热力学因素的重要性。通过将活性层材料更换为PBQx-TF/TBT-26和PTQ11，并使用相同的加工策略，研究人员实现了非共轭环受体系统17.21%的效率，达到了前沿水平。研究还深入理解了活性层的垂直形态，并突出了器件工程和太阳能电池性能的吸引力。
研究结果显示，PTQ10的加入增加了额外的电荷生成界面，并抑制了双分子复合反应，而PM6由于其较高的表面张力导致了不利的垂直相分离。光物理实验表明，PTQ10的加入能够增强极化子的生成和空穴传输过程，同时抑制自由电荷载流子的复合。进一步的形态学表征和光电特性分析揭示了PTQ10和PM6对A4T-16结晶的不同调节作用，以及它们对器件性能的影响。
总结来，这项研究提出了一种有效的策略来优化非共轭环受体OSCs的性能，并展示了一种提高PCE的方法，并探讨了提高功率转换效率的方法，这为相关领域的发展提供了有益的参考。
图 3：三种系统的飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）二维等高线图和代表性光谱：
(a) 对照组：显示无任何添加剂的基线光谱。
(b) + 20% PTQ10：显示添加20% PTQ10后的光谱，表明瞬态吸收信号的变化。
(c) + 20% PM6：展示添加20% PM6后的光谱，显示与PTQ10相比的不同光谱特征。
(d) 极化子动力学：
上图：归一化的 ΔT/T 随时间变化，比较对照组和PTQ10系统，突出展示解离和复合动力学。
下图：激发后7纳秒的光谱，聚焦于长寿命极化子，蓝色表示PM6系统。
这些图表揭示了PTQ10和PM6对系统中电荷动力学和极化子生成的影响。
论点与研究方式
主要论点是探讨不同的层层（LBL）加工技术对有机太阳能电池性能的影响，特
别是供体-受体的垂直分布如何影响电荷生成和光子捕获。
层层（LBL）加工技术：研究中采用了层层加工技术来制备供体-受体的垂直分布。这种方法有助于形成部分混合且分层的供体-受体结构，从而提高电池的效率。
材料选择与优化：研究者选择了两种商业可用的聚合物供体，PTQ10和PM6，来优化D18/A4T-16系统的性能。PTQ10的引入成功形成了再混合相，对电荷生成有额外的贡献，使效率从15.11%提升至16.03%。
研究方法和步骤包括：
l 材料制备与加工：使用LBL加工技术制备底层D18和上层A4T-16或掺杂PTQ10或PM6的A4T-16层。这些材料的化学结构和制备过程如图1a所示。
l 光谱分析：利用紫外-可见光吸收光谱（UV-Vis）分析不同LBL加工薄膜的聚集特性。结果显示，掺杂PTQ10和PM6的薄膜在0-0振动峰上表现出更好的有序聚集。
l 形态学分析：使用原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）分析活性层的形态。结果显示，PTQ10导致了更复杂的网络结构，而PM6则形成了更分离的结构。
l 表面张力测量：通过测量水和乙二醇在薄膜上的接触角来评估材料的表面张力。结果表明，PTQ10的表面张力较低，导致其在A4T-16的顶部富集，形成了额外的供体-受体混合区域。
l 光电特性分析：使用飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）技术研究供体-受体界面的电荷生成和重组动力学。结果表明，PTQ10掺杂的样品中单线态激子更容易解离。
制备过程：
ITO基板经过清洗，包括使用去离子水、丙酮和异丙醇进行超声波清洗，并在烘箱中过夜干燥。玻璃基板在使用前经过UV-Ozone处理30分钟。PEDOT（一种导电聚合物）被旋涂在ITO基板上，旋转速度为6500 rpm，持续30秒，然后在170°C下干燥15分钟。D18层通过旋涂4 mg/ml的氯仿溶液沉积，而A4T-16层则溶解在XY中，浓度为15 mg/ml，并添加0.5 vol%的DIO作为添加剂。PTQ10和PM6直接溶解在A4T-16溶液中。D18和A4T-16溶液在100°C预热后进行旋涂。旋涂后，进行100°C热板上的热退火处理5分钟。在活性层上涂覆一层薄的PFN-Br层（在甲醇中，浓度为0.5 mg/mL），然后通过阴影掩膜蒸发沉积Ag。
a) UV–vis Absorption Profiles：这张图展示了D18/A4T-16控制薄膜、掺杂20% PTQ10和20% PM6的薄膜的紫外-可见光吸收谱。
b) J–V Characteristics：这部分展示了不同薄膜组合的电流密度-电压（J-V）特性曲线。这些曲线是评估太阳能电池电性能的关键，包括开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）。
c) EQE Spectra：外部量子效率（EQE）谱图显示了太阳能电池将吸收的光子转化为电流的效率。
d) Normal Distribution of PCEs：三个系统的功率转换效率（PCEs）的正态分布，提供了设备性能一致性和变异性的统计视图。
e) FTPS-EQE and f) EQE-EL Data： FTPS-EQE（傅里叶变换光电流光谱-EQE）和EQE-EL（电致发光-EQE）数据帮助理解设备中的非辐射和辐射复合损失，这些损失会影响整体效率。
f) EQE-EL（电致发光-外部量子效率）数据：通过比较EQE和EQE-EL数据，研究者可以评估设备中非辐射和辐射复合的比例。这些信息对于理解和优化有机太阳能电池的能量损失机制至关重要，因为它们直接影响到设备的功率转换效率
g) TPC and h) TPV Curves：瞬态光电流（TPC）和瞬态光电压（TPV）曲线用于分析太阳能电池中的电荷提取和复合动力学。这些测量提供了电荷提取速度和效率以及复合对性能影响的见解。
h) TPV Curves：瞬态光电压（TPV）曲线用于分析太阳能电池中的电荷复合动力学。TPV测量提供了关于电荷载流子寿命的信息，这是决定太阳能电池效率和稳定性的关键因素。助于评估和优化电池的电荷提取效率和复合损失，从而提高整体性能。
i) Derived Lifetime Values：这部分展示了不同系统中电荷载流子寿命的计算值，这是决定太阳能电池效率和稳定性的关键因素。
总体而言，图2提供了太阳能电池光学和电气特性的详细分析，帮助理解不同材料组成对其性能的影响。
表征
研究团队使用光焱科技的QE-R3011太阳光电池光谱响应测量系统进行测量。
特性和测量：
活性层的厚度使用Bruker Dektak XT探针式表面测量仪进行测量。太阳光电池的电流密度-电压（J-V）曲线使用Keysight B2901A源表在AM 1.5G（100 mW cm?2）条件下测量，使用Enlitech太阳光模拟器(SS-X)。装置的接触面积为0.042 cm2，测试时的照明面积为0.041 cm2，由掩膜确定。外部量子效率（EQE）光谱使用Enlitech的QE-R太阳能电池光谱响应测量系统进行测量。每个波长的光强度使用标准单晶硅光伏电池进行校准。
Figure S1:通过UV-Vis吸收光谱测量的聚合物聚集情况的拟合分析结果。
Figure S3: PTQ10组分优化的详细信息，包括J-V特性和EQE光谱。
Figure S4: A4T-16薄膜的二维等高线图和代表性的时间相关光谱，这些薄膜是用PTQ10和PM6掺杂的。
Figure S5:活性层的AFM高度图和TEM图像，用于分析薄膜的表面形态和结构。
结果
这些研究方法和步骤有助于揭示不同掺杂材料对有机太阳能电池性能的影响，特别是在电荷生成和光子捕获方面的差异。
效率提升：通过在受体富集的顶层引入额外的聚合物供体（如PTQ10），成功形成了再混合相，成为额外的电荷生成贡献者。这一策略使D18(CF)/A4T-16(o-XY)系统的效率从15.11%提升至16.03%。
垂直分布的重要性：研究强调了再混合策略在实现理想垂直分布中的重要性。这种分布有助于抑制双分子复合，从而提高短路电流（Jsc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）。
新系统的高效率：通过将该策略应用于新报道的PBQx-TF/TBT-26系统，并加入20%的PTQ11，实现了17.21%的效率，代表了非共轭环受体有机太阳能电池的前沿水平。
碳中和的推动：这些成就对于进一步推动碳中和目标的实现具有重要意义。
这些结果展示了再混合策略在提升有机太阳能电池效率方面的潜力，并为未来的研究和应用提供了新的方向。
香港理工大学 Prof.李刚团队在有机太阳能电池效率上取得了显著突破。他们通过供体-受体层间再混合策略，成功将非共轭受体有机太阳能电池的效率提升至17.2%。这一成果不仅展示了再混合策略在优化电池性能方面的潜力，还为未来研究提供了新的方向。该研究的成功为推动有机太阳能电池的商业化应用以及实现更高的能源转换效率奠定了基础。
文献参考自Advanced Functional Materials_Doi:DOI: 10.1002/adfm.202411286
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