武汉大学闵杰Joule：有机太阳能电池逐层刮涂方法克服组件效率的滞后

【背景介绍】

溶液处理的有机太阳能电池（OSCs）因其重量轻、成本低、易于制造柔性和半透明器件等优点，而被认为是下一代光伏电池之一。在过去的二十多年中，有机太阳能电池主要是基于体相异质结（BHJ）结构来制备，并取得了快速的发展，效率从3%提升到了17%。BHJ结构是由给体和受体材料溶液共混构建，其通常有利于激子分离和载流子传输，并能够有效提升光伏体系的短路电流和填充因子。尽管如此，BHJ结构也存在诸多缺点。一方面，基于BHJ结构的活性层形貌通常比较难以调控，最优形貌难重复，人为因素大。另一方面，基于BHJ结构的器件中存在给体和受体的“孤岛”，这些相域与上下电极都没有连接；同时该类型器件中还会有“半岛”存在，即给体的“半岛”与阴极接触，受体的“半岛”与阳极接触；这些形貌特点会导致显著的非孪生复合损失，并影响电池性能。此外，随着电池或模组面积的增大，这些损失将进一步加剧，并造成小面积电池和大面积模组效率的巨大差异。

一个广泛的观点是，OSCs活性层的最佳形态应该是伪双层结构（如p-i-n结构）。在以前的研究中已经证明，应用于小面积OSCs制备的逐层涂膜工艺（LbL）方法是构建伪双层膜的一种有希望的替代方案。例如，LBL方法能够有效的提升光吸收率，并且还可以有效地降低OSCs的效率-稳定性差距。然而，到目前为止，还没有将逐层涂膜LbL方法应用到大面积太阳电池组件制备的研究报道。总的来说，从这些原因出发，为了走上工业化应用的关键一步，研究逐层涂膜LbL方法是否具有应用到大面积印刷有机太阳能电池和组件的潜力是十分必要的。

【成果简介】

近日，武汉大学高等研究院闵杰研究员报道了一种逐层刮涂(LbL)方法，可以有效克服有机太阳能电池模组效率的滞后。采用LbL涂层策略，在空气环境中逐层刮涂空穴传输层，给体层，受体层和电子传输层制备出效率16.35%的小面积器件（0.04 cm²），并利用该技术成功制备出效率为11.86%，面积为11.52 cm²，几何填充系数为91.4%的电池模组，对有机太阳能电池模组的产业化发展具有重要意义。该成果近日以题为“A Layer-by-Layer Architecture for Printable Organic Solar Cells Overcoming the Scaling Lag of Module Efficiency”发表在著名期刊Joule上。

【图文导读】

图一：BHJ和LbL系统的原理图、化学结构和光学特性

（a）LbL刀片涂层方法的示意图和OSCs设备结构的原理图。

（b）在本工作中调查的给体和受体材料的化学结构。

（c）最佳BHJ和LbL活性层的光学性质。

（d-e）模拟了活性层厚度为120nm的BHJ（d）和LbL（e）OSCs的光吸收速率。

图二：BHJ和LbL共混体的成膜性能及其3D形态特征和可能的物理动力学机制

（a-b）在PEDOT：PSS层上刀片的BHJ（A）和（B）LbL薄膜的2D GIWAXS剖面。

（c）一维GIWAXS线曲线相对于平面内（IP）方向和平面外（OOP）方向。在临界入射角为0.02的情况下，获得了BHJ和LB L薄膜的IP和OOP剖面。

（d-e）（d）BHJ和（E）LbL薄膜在1,536 cm^-1（Y6）处的PiFM形貌图像。

（f）BHJ和LbL样品的TOF-SIMS离子产率随溅射时间的变化而变化。这里显示了N元素对Y6的深度剖面。

（g-h）BHJ（G）和LbL（H）共混器件的形态特征和可能的物理动力学机制的视觉插图。

图三：BHJ和LbL器件的光电参数及其物理动力学

（a-b）最佳性能的BHJ和LbL基设备的J-V（a）和EQE（b）曲线。

（c）PCE的直方图为30个BHJ电池和30个LbL电池。

（d）从BHJ和LbL薄膜中获得的空穴迁移率；由Photo-CELIV测试获得的BHJ和LbL器件的载流子迁移率。

（e）不用光照强度下载流子密度和载流子寿命的函数关系及其拟合。

图四：大面积太阳能组件的制造与器件性能

（a）大面积太阳能组件的LbL工艺流程图。

（b）基于LbL PM6/Y6薄膜的太阳能组件图像，活性面积为11.52cm²，最佳GFF为91.4%。

（c）使用BHJ和LbL涂膜方法制备器件的J-V曲线。

（d）PCE直方图为15个BHJ太阳能组件和15个LbL太阳能组件。

（e）BHJ和LbL太阳能电池和组件的串联电阻值。

（f）不同器件面积和加工技术的优化器件PCEs的时间演变图，以及太阳能组件PCEs在用不同印刷或涂层技术制备上的分布图。

（g）有机太阳能组件的PCEs基于GFF值方面的分布图。

【小结】

报告了一种LbL逐层涂膜方法，作为高性能大面积太阳能电池和组件的可印刷策略。该方法具有光吸收率高、合适的垂直相分离、良好的实用性等优点，赋予了LbL器件优异的电荷传输和萃取性能。因此，基于LbL的PM6/Y6 OSCs的PCE（16.35%）比传统BHJ涂膜方法（15.37%）更高。此外，文章中也研究了其他三种高性能非富勒烯体系，包括PM6：Y6-2Cl、PTQ10：Y6和PM6：Y6-C2，进一步证明了LbL涂层方法的优良通用性。进一步，与BHJ组件（10.15%）相比，在有效面积为11.52cm²，GFF超过90%的情况下，基于LbL的组件能够获得更高的器件效率（11.86%）。这些结果表明LbL处理策略可以显著减小组件效率的滞后。总之，这项工作不仅进一步揭示了LbL涂层策略的独特优势，而且还展示了一种成功的印刷技术，即通过LbL策略处理光活性层，将有机太阳能电池升级到高性能的大规模生产和工业应用。

文献链接：A Layer-by-Layer Architecture for Printable Organic Solar Cells Overcoming the Scaling Lag of Module Efficiency(Joule 2019, DOI:10.1016/j.joule.2019.12.004)

通讯作者简介

闵杰研究员，武汉大学高等研究院特聘研究员、博导。主要研究方向：有机太阳能电池，钙钛矿太阳能电池等。

2008-2011年在中国科学院化学研究所李永舫院士课题组攻读联合培养硕士，2015年获得德国埃尔朗根-纽伦堡大学博士学位，之后留在Christoph J. Brabec教授团队从事博士后研究。2017年至今任武汉大学高等研究院研究员，独立建组，并从事有机太阳能电池及其相关方向的研究工作：重点围绕“材料化学-形貌物理-衰减机制-器件工程”的研究链条开展目标导向性基础研究，解决光电领域中关键科学问题和关键技术问题。回国三年来，以通讯作者身份在Joule（1篇）; Energy Environ. Sci.,（3篇）; Adv. Mater（1篇）; Adv. Energy Mater（3篇）; Angew. Chem. Int. Ed,（1篇）等学术期刊上发表论文23篇。

本文由大兵哥供稿。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenvip