文獻(xiàn)解讀丨全溶液涂覆制備高效率柔性有機(jī)太陽能電池
發(fā)布時(shí)間:2024-12-05 閱讀次數(shù)：310次
DOI: 10.1002/adma.201907840 IF：27.4
論文設(shè)計(jì)并制備了一種從基底到頂電極均可實(shí)現(xiàn)溶液加工的高效率柔性有機(jī)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(yīng)時(shí)間較短（6h）或較長（43h）的HxMoO3
研究背景
與晶體硅、III-V族等無機(jī)太陽能電池相比，可印刷制備、機(jī)械柔性優(yōu)異是有機(jī)太陽能電池的核心優(yōu)勢。近年來，有機(jī)太陽能電池的效率快速提升，已經(jīng)超過18%。目前實(shí)驗(yàn)室制備的高效率有機(jī)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(yīng)用（例如可穿戴電子設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)等），希望采用全溶液處理的有機(jī)太陽能電池（從底部電極到頂部電極的所有層都進(jìn)行溶液處理）。
目前，已經(jīng)廣泛報(bào)道了基于溶液處理的富勒烯有機(jī)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(jī)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(jī)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(guān)于基于全溶液涂布或印刷的非富勒烯有機(jī)太陽能電池的報(bào)道。
已報(bào)道的全印刷非富勒烯有機(jī)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(bào)道的全溶液制備的非富勒烯有機(jī)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(jī)太陽能電池中應(yīng)用。對于全溶液加工制備有機(jī)太陽能電池，面臨的關(guān)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(dǎo)致界面處難以實(shí)現(xiàn)高效電荷傳輸與收集。
因此，如何設(shè)計(jì)可全溶液加工的有機(jī)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)，改善各層間的加工兼容性和實(shí)現(xiàn)層間界面處的高效電荷傳輸，是實(shí)現(xiàn)高效率的關(guān)鍵。
方法與結(jié)果
設(shè)計(jì)并制備了一種從基底到頂電極均可實(shí)現(xiàn)溶液加工的高效率柔性有機(jī)太陽能電池，以高性能非富勒烯有機(jī)半導(dǎo)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(shí)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(guān)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(shí)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(jī)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)。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(jī)太陽能電池的圖片。d）有機(jī)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(xué)結(jié)構(gòu)。
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(jié)目前報(bào)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(shí)間的吸收光譜。e）HxMoO3溶液不同溶解時(shí)間制備的薄膜的功函數(shù)（WF）。f）對滴在不同反應(yīng)時(shí)間下HxMoO3溶液制備的薄膜的接觸角。
圖4.a，b）不同反應(yīng)時(shí)間HxMoO3的Mo 3d和O 1s的XPS光譜。c）HxMoO3的接觸角和-OH比與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖。d）這些具有不同反應(yīng)時(shí)間的HxMoO3產(chǎn)物的拉曼光譜。
總結(jié)與討論
在這項(xiàng)工作中，通過全溶液法制備非富勒烯有機(jī)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(jī)太陽能電池，提供很好的借鑒意義。
文獻(xiàn)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(xué)武漢光電國家研究中心）
