西工大刘剑刚教授团队 AEM：控制第三组分分布实现高性能三元有机太阳能电池

2025-03-10 来源：高分子科技

基于福斯特能量转移的三元有机太阳能电池（T-OSCs）可显著提高活性层的光吸收能力，从而改善其能量转换效率（PCE）。研究发现，由于能量转移效率（E_FRET）会随着能量给体和能量受体之间距离的增加而急剧下降，因此，只有能量给体和能量受体的间距较小时，才能产生较高的能E_FRET。然而，能量给体和能量受体在活性层内的随机分布导致两者的距离较大；此外，不可控的组分分布还容易破坏活性层的互穿网络结构。因此，优化第三种成分的分布可以显著改善光物理性质，提高器件性能。

对基于PM6:Y6:IBC-F的T-OSCs而言，能量给体为IBC-F，能量受体为PM6。因此，使IBC-F分布在PM6相中对于最大限度地利用活性层的光子收集能力进行光电转换过程至关重要。基于此，西北工业大学刘剑刚教授团队提出了一种定位沉积策略，以PM6:Y6:IBC-F体系为例，先将能量给体IBC-F和能量受体PM6混合后制备成膜，然后在其上沉积受体组分Y6，从而构筑第三成分分布可控的体相异质结（CDBHJ）,如图1（a）所示。结果表明，在体相异质结（BHJ）活性层中，仅有25.1%的IBC-F分布在PM6相中，相应的E_FRET只有46.5%。相比之下，在CDBHJ薄膜中，PM6相区内IBC-F的含量上升至72.7%，E_FRET增加到66.8%。与此同时，定位沉积策略还可以协同优化活性层的结晶和相分离动力学行为，形成以高结晶度、低缺陷态密度和适当垂直相分离为特征的活性层形貌。基于此，CDBHJ的T-OSCs的PCE和J_SC× FF的值分别达到18.29%和21.45，显著高于BHJ器件的相应参数。该项研究有力证实了定位沉积策略在精准调控第三种成分分布上具备显著成效，为提升T-OSCs性能提供了全新的解决思路与技术支撑。

图1. （a）定位沉积示意图。BHJ和CDBHJ薄膜中（b）F 1s、（c）N 1s 和（d）S 2p 的动态X射线光电子能谱图像。（e）相对分子数量（RMN）的纵向分布。（f-h）在532 nm光源激发下BHJ和CDBHJ薄膜的Raman Mapping图。（i）IBC-F在BHJ和CDBHJ薄膜中的分布图（黄色和蓝绿色代表PM6:IBC-F和Y6:IBC-F共混相）和含量百分比（红色代表PM6:IBC-F和蓝色代表Y6:IBC-F共混相）。

图2. （a）BHJ和CDBHJ薄膜在465 nm光源激发下的时间分辨荧光（TRPL）光谱。（b）BHJ薄膜和（c）CDBHJ薄膜在475 nm光源激发下的瞬态吸收（fs-TA）光谱。

图3. （a）基于深度依赖吸收光谱模拟的激子数量分布。（b）激子生成速率纵向变化曲线。（c）BHJ器件和CDBHJ器件的J_ph-V_eff曲线。（d）BHJ薄膜和（e）CDBHJ薄膜在750 nm光源激发下的fs-TA光谱,（f）635和850 nm处基态漂白信号时间变化曲线。

图4. （a）二维GIWAXS图，（b）相应的面外（OOP）和面内（IP）方向的一维强度曲线。（c）层状堆积（100）和π-π堆积（010）峰的极图。（d）BHJ和CDBHJ薄膜的Urbach能。

图5.（a）最优的BHJ器件和CDBHJ器件的J-V曲线和（b）EQE曲线。（c）16个器件的PCE直方图。（d）本文与文献报告中基于PM6:Y6的T-OSCs的比较（PCE与J_SC × FF）。（e）最优的BHJ 器件和CDBHJ器件的V_OC-P_light和（f）J_SC-P_light曲线。（g）BHJ-Device和 CDBHJ-Device的光稳定性、热稳定性和储存稳定性。（h）活性面积为1.21cm²的OSCs的J-V曲线。（i）其他四个代表性体系中BHJ-Device和CDBHJ-Device的PCE。

该工作以“Controlling the Third Component Distribution Toward High-Efficient Ternary Organic Solar Cells”为题发表在国际期刊《Advanced Energy Materials》上。文章的通讯作者为西北工业大学刘剑刚教授、梁秋菊副教授和苗宗成教授，第一作者是西北工业大学电子信息学院博士研究生张钰通。本研究得到陕西省杰出青年、国家自然科学基金等项目的支持。

全文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202406136

下载：Controlling the Third Component Distribution Toward High-Efficient Ternary Organic Solar Cells

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（责任编辑：xu）

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