【要點摘要】

本篇研究由 香港中文大學 Xinhui Lu、中國科學院 Guilong Cai 等人發(fā)表。

• 1,4-二碘苯(DIB)和偶氮甲烷(DIM)的雙添加劑策略有效優(yōu)化了基于BTR-Cl:Y6的全小分子有機太陽能電池(ASM-OSCs)的形態(tài)，無需溶劑蒸發(fā)處理。

• DIB和DIM具有協(xié)同作用 - DIB增強了Y6的分子堆積，而DIM抑制了BTR-Cl在薄膜形成過程中的聚集。

• 雙添加劑的引入改變了BTR-Cl的優(yōu)先取向，從側(cè)柱面取向變?yōu)槎酥嫒∠颍龠M了電荷輸運。

• 隨著給體/受體相分離的細化，達成光生電荷分離和電荷提取的平衡。

• 優(yōu)化后的ASM-OSCs效率達到15.2%，是迄今為止在無溶劑蒸發(fā)處理的情況下，已報導的二元體系中最高的。

• 這項工作展示了一種有前景的方法來控制奈米尺度的形態(tài)以實現(xiàn)高效的小分子有機光電子器件。

【背景】

全小分子有機太陽能電池(ASM-OSCs)因小分子給體和受體的精確定義結(jié)構(gòu)而具有前景，消除了聚合物的批次變異再現(xiàn)性問題。但是，由于小分子組分相似的化學結(jié)構(gòu)和高度的混溶性，控制 ASM-OSCs 中的滲透異質(zhì)結(jié)構(gòu)體形態(tài)更具挑戰(zhàn)性。通常用于優(yōu)化形態(tài)的溶劑蒸發(fā)處理策略，其可擴展性差。另一方面，最近的研究表明，引入添加劑可以在沒有復(fù)雜溶劑蒸發(fā)處理的情況下有效調(diào)節(jié) ASM-OSCs 中的結(jié)晶化和相分離。然而，到目前為止，這個領(lǐng)域的研究非常有限。本工作開發(fā)了雙添加劑方法以準確控制小分子給體和受體在 ASM-OSCs 中各自的形態(tài)。

【結(jié)果】

• 紫外可見吸收測量表明，DIB主要與受體Y6發(fā)生作用，而DIM主要與給體BTR-Cl發(fā)生作用。

• GIWAXS數(shù)據(jù)顯示雙添加劑的引入使BTR-Cl在混合薄膜中的優(yōu)先取向從側(cè)柱面取向轉(zhuǎn)變?yōu)槎酥嫒∠?，利于垂直傳輸電荷穿過器件。

• GISAXS測量和分析表明，在雙添加劑作用下，BTR-Cl域大小增加，在保持電荷收集交錯通道的同時，在廣闊的界面上促進了光生電荷分離。

• 空間電荷限制電流擬合表明雙添加劑處理的混合薄膜分別達到最高的洞遷移率9.2 x 10-4 cm2V-1s-1 和電子遷移率7.9 x 10-4 cm2V-1s-1，這也歸因于更有利的端柱面堆積。

• 在沒有任何溶劑蒸發(fā)處理的情況下，優(yōu)化的 ASM-OSCs 在 5 mg/mL DIB 和 0.3% DIM 條件下效率達到 15.2%，是迄今報導的二元小分子系統(tǒng)中最高的。

• 瞬態(tài)吸收測量確認了與對照樣品相比，雙添加劑樣品的混合薄膜中結(jié)合過程更慢。

【方法】

• 使用 1,4-二碘苯 (DIB,固體)和偶氮甲烷 (DIM,液體) 開發(fā)雙添加劑策略。

• 利用紫外可見吸收、GIWAXS、AFM、TEM等表征形態(tài)。空間電荷限制電流測量電荷遷移率。

• 制作太陽能電池以評價性能。過渡吸收光譜和電容光譜研究動力學過程。

研究使用光焱科技太陽光模擬器SS系列 與量子效率測試系統(tǒng) QE-R來協(xié)助量測，SS具備A+光譜搭配擁有高重復(fù)與準確性的QE-R，使研究結(jié)果更加精準。

【結(jié)論】

這項工作展示了一種有效的雙添加劑策略來優(yōu)化全小分子有機太陽能電池的形態(tài)。兩種添加劑在調(diào)節(jié)光電活性層的相分離和分子堆積中發(fā)揮了協(xié)同作用 - DIB與受體Y6形成共晶相從而緊密其分子堆積，同時DIM的揮發(fā)抑制了給體BTR-Cl的聚集。其結(jié)果是，在給體取向有利地從側(cè)柱面轉(zhuǎn)變?yōu)槎酥嫒∠虻耐瑫r，獲得了平衡的域大小,有利于電荷生成和傳輸。提高的電荷載流子遷移率、抑制的復(fù)合以及優(yōu)化的奈米尺度形態(tài)共同促成了 15.2% 的高功率轉(zhuǎn)換效率,而這是在沒有溶劑蒸發(fā)處理的情況下的二元 ASM-OSCs。這種雙添加劑方法提供了一種有前景和簡便的方式來調(diào)節(jié)形態(tài)以實現(xiàn)高效的小分子光電子器件。

關(guān)鍵詞: Organic Solar Cell

a) 分子結(jié)構(gòu)：BTR-Cl、Y6、DIM、DIB。b) Normalized absorption spectra：BTR-Cl薄膜無添加劑，以及添加DIM/DIB。c) Normalized absorption spectra：Y6薄膜無添加劑，以及添加DIM/DIB。

a) J-V 曲線。 b) PCE 的統(tǒng)計直方圖。 c) EQE 響應(yīng)和性能最佳設(shè)備的集成 JSC。 d) 使用不同添加劑處理的 Jph 與 Veff 特性。