通訊單位：重慶大學、中科院綠色智能技術(shù)研究院論文DOI：10.1002/advs.202105347本文中，我們以聚合物D18-Cl為給體，非富勒烯N3為受體，DIB為固體添加劑。通過可揮發(fā)固體添加劑輔助連續(xù)沉積法對有機太陽能電池活性層形貌進行調(diào)控。該方法能有效調(diào)節(jié)活性層的相分離及分子結(jié)晶性?；谠摲椒ㄖ苽潆姵?D18-Cl/N3(DIB))的光電轉(zhuǎn)換效率可達18.42%，該效率是目前基于連續(xù)沉積法制備二元電池最高效率之一。
近年來，有機太陽能電池因其成本低、質(zhì)量輕、柔性、半透明等特點而備受關(guān)注。隨著非富勒烯Y6的出現(xiàn)，目前有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已經(jīng)突破18%。活性層形貌對有機太陽能電池性能至關(guān)重要。目前，常用的活性層形貌調(diào)控的方法主要包括：溶劑退火、熱退火、液體添加劑、液體添加劑等。此外，為了實現(xiàn)理想的垂直相分布，連續(xù)沉積法被應用于活性層制備。固體添加劑聯(lián)合連續(xù)沉積法協(xié)同調(diào)節(jié)活性層形貌鮮有報道，且如何有效地調(diào)節(jié)非富勒烯受體的結(jié)晶性有待進一步研究。本文中，我們首先通過連續(xù)沉積法對活性層垂直方向上形貌進行調(diào)節(jié)。然后，在非富勒烯受體中引入可揮發(fā)固體添加劑對活性層相分離及其結(jié)晶性進一步調(diào)控。最終，形貌優(yōu)化后的電池效率可達18.42%，該效率是目前基于二元連續(xù)沉積法制備的最高效率之一。圖1（a）所用材料結(jié)構(gòu)式；（b）連續(xù)沉積法的示意圖；（c）三種電池最優(yōu)條件的J-V曲線；（d）目前已報道的連續(xù)沉積法制備的高性能二元電池；（e）三種電池的EQE曲線。本文中所用給體D18-Cl、非富勒烯受體N3及添加劑DIB的結(jié)構(gòu)式圖如1（a）所示。連續(xù)沉積法制備活性層過程如圖1（b）所示，首先將給體D18-Cl沉積在基底上，然后將加入添加劑DIB的受體N3連續(xù)地沉積在D18-Cl給體上。為了研究該方法對器件性能的影響，我們分別制備了三種不同條件的器件：即傳統(tǒng)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件D18-Cl:N3、連續(xù)沉積法制備器件D18-Cl/N3以及基于受體中引入DIB的連續(xù)沉積法制備的器件D18-Cl/N3（DIB）。三種器件的最優(yōu)J-V曲線及EQE曲線如圖1（c）和（e）所示。圖2 三種電池（a）Jph隨Veff的變比；（b）Jsc隨光強的變化；（c）TPC曲線；（d）TPV曲線；同時，我們研究了電池內(nèi)載流子傳輸特性。首先，我們測試了電池內(nèi)的激子解離及電荷收集效率（如圖2（a）所示）。相較D18-Cl:N3和D18-Cl/N3，基于D18-Cl/N3（DIB）的電池具有更高的激子解離效率和電荷收集效率。其次，我們測試了電池內(nèi)載流子復合情況（如圖2（b）所示）。三種電池中，基于D18-Cl/N3（DIB）的電池的雙分子復合最弱。同時，我們測試了電池的TPC曲線（如圖2（c）所示）和TPV曲線（如圖2（d）所示）。顯然，三種電池中，基于D18-Cl/N3（DIB）的電池電荷注入效率最高，抑制載流子復合能力最強。圖3 三種共混膜(a)-(c) AFM高度圖；(d)-(f) AFM相圖；(g)-(i) TEM圖。為了探究其形貌的變化，我們測試了三種共混膜的AFM和TEM圖。其表面形貌如圖3（a）-（f）所示，連續(xù)沉積法制備過程中，受體N3能滲透到給體D18-Cl中，從而形成類體異質(zhì)結(jié)的互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。當進一步在受體N3中引入添加劑DIB時，其表面粗糙度增加，相分離更加精細。電池內(nèi)部形貌如圖3（g）-（i）所示，相較D18-Cl:N3，D18-Cl/N3有區(qū)域明顯的domain，這可能與受體滲透成膜過程有關(guān)。當引入添加劑DIB之后，相分離變得更精細。圖4（a）三種混合膜不同入射角度下的GIWAXS圖；不同入射角度下（b）D18-Cl和（c）N3在的三種混合膜中相應的CCL010值。為了探究三種混合膜在垂直方向上的相分離及結(jié)晶性，我們對其測試了變角度GIWAXS（0.08°-0.16°）。如圖4（a）所示，在不同深度處，三個樣品均以face-on堆積方式為主導，這有利于垂直方向上的電荷傳輸。同時，我們計算了不同深度處D18-Cl（如圖4(b)）和N3（如圖4(c)）（010）峰的CCL值。對D18-Cl組分而言，相對D18-Cl:N3而言，入射角0.08°時(即樣品上表面)，D18-Cl/N3薄膜中給體D18-Cl具有稍低的CCL010；而隨著入射角的增加，D18-Cl/N3薄膜中D18-Cl反而具有較大的CCL010。進一步引入DIB處理之后，D18-Cl/N3（DIB）薄膜不同深度處D18-Cl的CCL010值得到提升。對N3組分而言，相較D18-Cl:N3，D18-Cl/N3薄膜中N3具有較大的CCL010，尤其在其上表面(入射角0.08°)。當DIB處理之后，D18-Cl/N3（DIB）薄膜不同深度處N3的CCL010均得到明顯提升。本文通過利用可揮發(fā)固體添加劑（DIB）輔助連續(xù)沉積法對電池活性層形貌調(diào)控，我們制備了基于聚合物給體D18-Cl和非富勒烯受體N3的高效有機太陽能電池。根據(jù)AFM、TEM、變角度GIWAXS測試揭示電池活性層相分離和分子結(jié)晶性的變化。相較傳統(tǒng)“一步共混沉積”，連續(xù)沉積法提供了一個垂直相分離更優(yōu)的連續(xù)互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)活性層。在受體中引入可揮發(fā)固體添加劑DIB之后，可以進一步促進受體的自組裝，從而有助于形成相分離更精細、結(jié)晶性更高的活性層形貌。形貌優(yōu)化后，電池的電荷注入效率得到有效提升，載流子傳輸更快、更平衡，載流子復合得到抑制。最終，添加劑和連續(xù)沉積法的協(xié)同作用使得D18-Cl/N3(DIB)電池的PCE達到18.42%。“重慶大學柔性可再生能源材料與器件課題組”網(wǎng)站：https://www.x-mol.com/groups/LaFREMDhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105347
