on style="white-space: normal; line-height: normal; margin-left: 8px; margin-right: 8px;">第一作者：秦建强 论文DOI：10.1002/advs.202105347本文中，我们以聚合物D18-Cl为给体，非富勒烯N3为受体，DIB为固体添加剂。通过可挥发固体添加剂辅助连续沉积法对有机太阳能电池活性层形貌进行调控。该方法能有效调节活性层的相分离及分子结晶性。基于该方法制备电池(D18-Cl/N3(DIB))的光电转换效率可达18.42%，该效率是目前基于连续沉积法制备二元电池最高效率之一。
近年来，有机太阳能电池因其成本低、质量轻、柔性、半透明等特点而备受关注。随着非富勒烯Y6的出现，目前有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）已经突破18%。活性层形貌对有机太阳能电池性能至关重要。目前，常用的活性层形貌调控的方法主要包括：溶剂退火、热退火、液体添加剂、液体添加剂等。此外，为了实现理想的垂直相分布，连续沉积法被应用于活性层制备。固体添加剂联合连续沉积法协同调节活性层形貌鲜有报道，且如何有效地调节非富勒烯受体的结晶性有待进一步研究。本文中，我们首先通过连续沉积法对活性层垂直方向上形貌进行调节。然后，在非富勒烯受体中引入可挥发固体添加剂对活性层相分离及其结晶性进一步调控。最终，形貌优化后的电池效率可达18.42%，该效率是目前基于二元连续沉积法制备的最高效率之一。图1（a）所用材料结构式；（b）连续沉积法的示意图；（c）三种电池最优条件的J-V曲线；（d）目前已报道的连续沉积法制备的高性能二元电池；（e）三种电池的EQE曲线。本文中所用给体D18-Cl、非富勒烯受体N3及添加剂DIB的结构式图如1（a）所示。连续沉积法制备活性层过程如图1（b）所示，首先将给体D18-Cl沉积在基底上，然后将加入添加剂DIB的受体N3连续地沉积在D18-Cl给体上。为了研究该方法对器件性能的影响，我们分别制备了三种不同条件的器件：即传统体异质结结构器件D18-Cl:N3、连续沉积法制备器件D18-Cl/N3以及基于受体中引入DIB的连续沉积法制备的器件D18-Cl/N3（DIB）。三种器件的最优J-V曲线及EQE曲线如图1（c）和（e）所示。图2 三种电池（a）Jph随Veff的变比；（b）Jsc随光强的变化；（c）TPC曲线；（d）TPV曲线；同时，我们研究了电池内载流子传输特性。首先，我们测试了电池内的激子解离及电荷收集效率（如图2（a）所示）。相较D18-Cl:N3和D18-Cl/N3，基于D18-Cl/N3（DIB）的电池具有更高的激子解离效率和电荷收集效率。其次，我们测试了电池内载流子复合情况（如图2（b）所示）。三种电池中，基于D18-Cl/N3（DIB）的电池的双分子复合最弱。同时，我们测试了电池的TPC曲线（如图2（c）所示）和TPV曲线（如图2（d）所示）。显然，三种电池中，基于D18-Cl/N3（DIB）的电池电荷注入效率最高，抑制载流子复合能力最强。图3 三种共混膜(a)-(c) AFM高度图；(d)-(f) AFM相图；(g)-(i) TEM图。为了探究其形貌的变化，我们测试了三种共混膜的AFM和TEM图。其表面形貌如图3（a）-（f）所示，连续沉积法制备过程中，受体N3能渗透到给体D18-Cl中，从而形成类体异质结的互穿网络结构。当进一步在受体N3中引入添加剂DIB时，其表面粗糙度增加，相分离更加精细。电池内部形貌如图3（g）-（i）所示，相较D18-Cl:N3，D18-Cl/N3有区域明显的domain，这可能与受体渗透成膜过程有关。当引入添加剂DIB之后，相分离变得更精细。图4（a）三种混合膜不同入射角度下的GIWAXS图；不同入射角度下（b）D18-Cl和（c）N3在的三种混合膜中相应的CCL010值。为了探究三种混合膜在垂直方向上的相分离及结晶性，我们对其测试了变角度GIWAXS（0.08°-0.16°）。如图4（a）所示，在不同深度处，三个样品均以face-on堆积方式为主导，这有利于垂直方向上的电荷传输。同时，我们计算了不同深度处D18-Cl（如图4(b)）和N3（如图4(c)）（010）峰的CCL值。对D18-Cl组分而言，相对D18-Cl:N3而言，入射角0.08°时(即样品上表面)，D18-Cl/N3薄膜中给体D18-Cl具有稍低的CCL010；而随着入射角的增加，D18-Cl/N3薄膜中D18-Cl反而具有较大的CCL010。进一步引入DIB处理之后，D18-Cl/N3（DIB）薄膜不同深度处D18-Cl的CCL010值得到提升。对N3组分而言，相较D18-Cl:N3，D18-Cl/N3薄膜中N3具有较大的CCL010，尤其在其上表面(入射角0.08°)。当DIB处理之后，D18-Cl/N3（DIB）薄膜不同深度处N3的CCL010均得到明显提升。本文通过利用可挥发固体添加剂（DIB）辅助连续沉积法对电池活性层形貌调控，我们制备了基于聚合物给体D18-Cl和非富勒烯受体N3的高效有机太阳能电池。根据AFM、TEM、变角度GIWAXS测试揭示电池活性层相分离和分子结晶性的变化。相较传统“一步共混沉积”，连续沉积法提供了一个垂直相分离更优的连续互穿网络结构活性层。在受体中引入可挥发固体添加剂DIB之后，可以进一步促进受体的自组装，从而有助于形成相分离更精细、结晶性更高的活性层形貌。形貌优化后，电池的电荷注入效率得到有效提升，载流子传输更快、更平衡，载流子复合得到抑制。最终，添加剂和连续沉积法的协同作用使得D18-Cl/N3(DIB)电池的PCE达到18.42%。https://www.x-mol.com/groups/LaFREMDhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105347
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