Adv. Energy Mater：华南理工&上海交大-新型添加剂助力有机聚合物太阳能电池有望实现大面积印刷

Balance Song 8年前 (2016-10-29) 4510浏览

【引言】

有机太阳能电池因其成本低、重量轻和容易实现大面积柔性器件制备等优点成为一种可再生新能源，并越来越受到人们的关注。 在本体异质结太阳能电池中，活性层通常由给体和受体组成，对活性层的优化是提高太阳能光电转化效率（PCE）的重要手段。在以PTB7：PC71BM分别作为给受体的活性层材料被广泛应用在窄带系聚合物太阳能电池体系中，其光电转化效率在2011年就达到了9%。这种体系的活性层厚度通常在100nm左右。Marks组将PCE做到了7.98%, 6.63%，7.98%, 6.63%，其对应的活性层厚度分别为100，195，300nm。纵然较厚的活性层会获得较高的短路电流，但同时也会使其填充因子（FF）骤降，从而影响其光电转化效率。为了使太阳能电池实现高速印刷的同时保持足够的转化效率，就要求活性层厚度具有一个合适的变换窗口范围。实验证明通过使用添加剂可以很有效的改变太阳能电池的界面厚度和形貌。

【成果简介】

近日，来自华南理工大学陈军武教授（通讯作者）、Zhang Lianjie （通讯作者）及曹镛院士及上海交通大学刘烽教授（通讯作者）等共同合成了一种添加剂o-chlorobenzaldehyde（CBA，邻氯苯甲醛）。相对于传统的添加剂1,8-diiodooctane (DIO，二碘辛烷)，CBA的沸点由332.5℃降低为212℃，在对活性层进行真空干燥时更容易被去除，从而影响其形貌特征。将该添加剂应用在经典的PTB7:PC71BM体系中，当活性层厚度200-300nm时，使用CBA的活性层与使用DIO作为添加剂的的活性层相比，PCE效率分别为9.11%和8%。

【图文导读】

图1.材料分子结构及热处理原理图

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a) PTB7和PC71BM的结构。

B）CB（氯苯）、CBA（邻氯苯甲醛）、DIO（二碘辛烷）的结构以及沸点。

C）DIO热处理对干燥区PC71BM的影响原理图。上层的DIO首先蒸发形成新相，当下层DIO逐渐蒸发时，不可避免的将从干燥区经过，从而影响干燥区PC71BM的结构。而较厚的活性层需要更长的时间进行蒸发处理，影响添加剂DIO的作用，从而使PC71BM富集。

图2.材料的J-V、PCE、EQE曲线

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 a）DIO 和 CBA 分别为3%和 5%条件下100nm厚的活性层材料 的J-V曲线。

b）用CBA作为添加剂活性层厚度为100nm的材料其PCE值。

c）3% DIO 和5% CBA分别作为添加剂的PCE的值。

d）5% CBA作为添加剂，不同膜厚材料对应的外量子数。

图3. 不同厚度下材料的TEM图

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a-c）3% DIO作为添加剂，活性层厚度为100, 200, 300 nm的PTB7：PC71BM材料的TEM图。

d-f）5% CBA作为添加剂，活性层厚度为100, 200, 300 nm的PTB7：PC71BM材料的TEM图。

图4.  不同添加剂作用下的共振X射线衍射图样

a）以3% DIO or 5% CBA为添加剂，活性层厚度为200nm的共振X射线衍射图样。

b）活性层厚度为100nm的不同浓度CBA作为添加剂的材料的电子空穴流动性

c）活性层厚度为100-300nm的不3%DIO和5%CBA作为添加剂的材料的电子空穴流动性。

图5. 不同活性层厚度的吸收光电压与光电流

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a）、b）活性层厚度为100nm，3%DIO和5%CBA作为添加的的活性层材料的瞬间光电压和瞬间光电流。

【展望】

新型添加剂的出现，简化了器件的优化过程，使得器件的活性层在100-300nm范围之内仍能保持较高的光电转化效率，为有机聚合物太阳能电池工业化大面积印刷提供了可能。相信在不久的将来，柔性聚合物太阳能电池将会走进大众的生活。

文献链接：Using o-Chlorobenzaldehyde as a Fast Removable Solvent Additive during Spin-Coating PTB7-Based Active Layers: High Effciency Thick-Film Polymer Solar Cells （Adv. Energy Mater.，2016，DOI: 10.1002/aenm.201601344）

本文由材料人编辑部新能源学术组 大宋 供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。

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