文獻解讀丨全溶液涂覆制備高效率柔性有機太陽能電池
發(fā)布時間:2024-12-05 閱讀次數(shù)：299次
DOI: 10.1002/adma.201907840 IF：27.4
論文設計并制備了一種從基底到頂電極均可實現(xiàn)溶液加工的高效率柔性有機太陽能電池，使用島津SPM-9700原子力顯微鏡測定橫截面，說明PEDOT:PSS去除了HxMoO3薄膜（12 nm），使用島津X射線光電子能譜儀AXIS Ultra DLD測定Mo 3d和O 1s的X射線光電子能譜圖，解釋說明為什么23h-HxMoO3的耐水性優(yōu)于反應時間較短（6h）或較長（43h）的HxMoO3
研究背景
與晶體硅、III-V族等無機太陽能電池相比，可印刷制備、機械柔性優(yōu)異是有機太陽能電池的核心優(yōu)勢。近年來，有機太陽能電池的效率快速提升，已經(jīng)超過18%。目前實驗室制備的高效率有機太陽能電池，主要使用銦錫氧化物（ITO）作為底部透明電極，并真空沉積金屬電極作為頂部電極。但對于一些應用（例如可穿戴電子設備，物聯(lián)網(wǎng)等），希望采用全溶液處理的有機太陽能電池（從底部電極到頂部電極的所有層都進行溶液處理）。
目前，已經(jīng)廣泛報道了基于溶液處理的富勒烯有機太陽能電池，但受制于活性層效率的影響，基于富勒烯活性層材料的全溶液加工有機太陽能電池的效率普遍低于5%。而目前高效率非富勒烯活性層材料的研究，有望為全溶液加工型有機太陽能電池效率的發(fā)展注入新的活力。但是幾乎還沒有關于基于全溶液涂布或印刷的非富勒烯有機太陽能電池的報道。
已報道的全印刷非富勒烯有機太陽能電池采用的都是效率較低的非富勒烯活性層：如PTB7-Th:IEIC，PBDTTT-CT:DC-IDT2T和P3HT:IDT-2BR。已報道的全溶液制備的非富勒烯有機太陽能電池效率普遍低于5％。而最近出現(xiàn)的高性能非富勒烯受體（如Y6，IT-4F）尚未在全溶液制備的有機太陽能電池中應用。對于全溶液加工制備有機太陽能電池，面臨的關鍵問題包括：
（1）溶液加工的相鄰層界面間存在難以浸潤或?qū)娱g洗滲的問題；
（2）能級失配導致界面處難以實現(xiàn)高效電荷傳輸與收集。
因此，如何設計可全溶液加工的有機太陽能電池的器件結構，改善各層間的加工兼容性和實現(xiàn)層間界面處的高效電荷傳輸，是實現(xiàn)高效率的關鍵。
方法與結果
設計并制備了一種從基底到頂電極均可實現(xiàn)溶液加工的高效率柔性有機太陽能電池，以高性能非富勒烯有機半導體組合（PBDB-T-2F:IDIC:Y6）為活性層，以PEDOT:PSS為頂電極。通過引入同樣是溶液加工的氫鉬青銅（HxMoO3），可解決非富勒烯活性層和 PEDOT:PSS 電極之間的潤濕能力，同時改善空穴的電荷提取能力。
需要指出的是，合成過程中HzMoO3的組分調(diào)控非常關鍵，插氫含量過高的HzMoO3易被上層PEDOT:PSS的水溶液洗去，從而難以實現(xiàn)高性能器件的制備。另外，對于底電極，將銀納米線（AgNWs）嵌入至聚酰亞胺薄膜基底中，提升底電極的平整度，保證上層薄膜的平整制備。
圖1.a）全溶液法制備的有機太陽能電池的器件結構。b）用于制備每一層的材料的溶液。c）全溶液法制備的面積分別為0.04 cm2和1 cm2的有機太陽能電池的圖片。d）有機太陽能電池的能級圖。e）活性層中使用的PBDB-T-2F，IDIC和Y6的化學結構。
圖2. a) 非全溶液法制備的器件的光照和暗態(tài)J-V曲線。b)全溶液法制備的器件的光照和暗態(tài)J-V曲線(器件面積0.04 cm2)。c)全溶液法制備的器件的光照和暗態(tài)J-V曲線(器件面積1cm2)。d)總結目前報道全溶液法制備的器件性能對比。
圖3.a）通過轉(zhuǎn)移印法制備PEDOT：PSS的示意圖。b）在HxMoO3頂部獲得的PEDOT：PSS膜照片；c）HxMoO3薄膜被PEDOT：PSS溶解的照片。d）HxMoO3溶液不同溶解時間的吸收光譜。e）HxMoO3溶液不同溶解時間制備的薄膜的功函數(shù)（WF）。f）對滴在不同反應時間下HxMoO3溶液制備的薄膜的接觸角。
圖4.a，b）不同反應時間HxMoO3的Mo 3d和O 1s的XPS光譜。c）HxMoO3的接觸角和-OH比與反應時間的關系圖。d）這些具有不同反應時間的HxMoO3產(chǎn)物的拉曼光譜。
總結與討論
在這項工作中，通過全溶液法制備非富勒烯有機太陽能電池，制備出的小面積器件（0.04 cm2），光電轉(zhuǎn)化效率為11.9％，大面積器件（1 cm2）的光電轉(zhuǎn)化效率10.3％。該方法，從底部基板到頂部電極的器件中的所有層都經(jīng)過溶液來完成制備。這種方法為制備全印刷大面積有機太陽能電池，提供很好的借鑒意義。
文獻題目
《Flexible All-Solution-Processed Organic Solar Cells with High-Performance Nonfullerene Active Layers》
使用儀器
島津SPM-9700原子力顯微鏡、島津X射線光電子能譜儀AXIS Ultra DLD
作者
Lulu Sun, Wenwu Zeng, Cong Xie, Lin Hu, Xinyun Dong, Fei Qin, Wen Wang,Tiefeng Liu, Xueshijiang, YouyuJiang, and Yinhua Zhou *（華中科技大學武漢光電國家研究中心）
