背景介紹

溶液處理的有機(jī)太陽能電池（OSCs）因其重量輕、成本低、易于制造柔性和半透明器件等優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是下一代光伏電池之一。在過去的二十多年中，有機(jī)太陽能電池主要是基于體相異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)來制備，并取得了快速的發(fā)展，效率從3%提升到了17%。BHJ結(jié)構(gòu)是由給體和受體材料溶液共混構(gòu)建，其通常有利于激子分離和載流子傳輸，并能夠有效提升光伏體系的短路電流和填充因子。盡管如此，BHJ結(jié)構(gòu)也存在諸多缺點(diǎn)。一方面，基于BHJ結(jié)構(gòu)的活性層形貌通常比較難以調(diào)控，最優(yōu)形貌難重復(fù)，人為因素大。另一方面，基于BHJ結(jié)構(gòu)的器件中存在給體和受體的“孤島”，這些相域與上下電極都沒有連接；同時(shí)該類型器件中還會(huì)有“半島”存在，即給體的“半島”與陰極接觸，受體的“半島”與陽極接觸；這些形貌特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致顯著的非孿生復(fù)合損失，并影響電池性能。此外，隨著電池或模組面積的增大，這些損失將進(jìn)一步加劇，并造成小面積電池和大面積模組效率的巨大差異。

一個(gè)廣泛的觀點(diǎn)是，OSCs活性層的最佳形態(tài)應(yīng)該是偽雙層結(jié)構(gòu)（如p-i-n結(jié)構(gòu)）。在以前的研究中已經(jīng)證明，應(yīng)用于小面積OSCs制備的逐層涂膜工藝（LbL）方法是構(gòu)建偽雙層膜的一種有希望的替代方案。例如，LBL方法能夠有效的提升光吸收率，并且還可以有效地降低OSCs的效率-穩(wěn)定性差距。然而，到目前為止，還沒有將逐層涂膜LbL方法應(yīng)用到大面積太陽電池組件制備的研究報(bào)道?？偟膩碚f，從這些原因出發(fā)，為了走上工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵一步，研究逐層涂膜LbL方法是否具有應(yīng)用到大面積印刷有機(jī)太陽能電池和組件的潛力是十分必要的。

成果簡(jiǎn)介

近日，武漢大學(xué)高等研究院閔杰研究員報(bào)道了一種逐層刮涂(LbL)方法，可以有效克服有機(jī)太陽能電池模組效率的滯后。采用LbL涂層策略，在空氣環(huán)境中逐層刮涂空穴傳輸層，給體層，受體層和電子傳輸層制備出效率16.35%的小面積器件（0.04 cm2），并利用該技術(shù)成功制備出效率為11.86%，面積為11.52 cm2，幾何填充系數(shù)為91.4%的電池模組，對(duì)有機(jī)太陽能電池模組的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。該成果近日以題為“A -by- Architecture for Printable Organic Solar Cells Overcoming the Scaling Lag of Module Efficiency”發(fā)表在著名期刊Joule上。

圖文導(dǎo)讀

圖一：BHJ和LbL系統(tǒng)的原理圖、化學(xué)結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性

（a）LbL刀片涂層方法的示意圖和OSCs設(shè)備結(jié)構(gòu)的原理圖。

（b）在本工作中調(diào)查的給體和受體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

（c）最佳BHJ和LbL活性層的光學(xué)性質(zhì)。

（d-e）模擬了活性層厚度為120nm的BHJ（d）和LbL（e）OSCs的光吸收速率。

圖二：BHJ和LbL共混體的成膜性能及其3D形態(tài)特征和可能的物理動(dòng)力學(xué)機(jī)制

（a-b）在PEDOT：PSS層上刀片的BHJ（A）和（B）LbL薄膜的2D GIWAXS剖面。

（c）一維GIWAXS線曲線相對(duì)于平面內(nèi)（IP）方向和平面外（OOP）方向。在臨界入射角為0.02的情況下，獲得了BHJ和LB L薄膜的IP和OOP剖面。

（d-e）（d）BHJ和（E）LbL薄膜在1,536 cm-1（Y6）處的PiFM形貌圖像。

（f）BHJ和LbL樣品的TOF-SIMS離子產(chǎn)率隨濺射時(shí)間的變化而變化。這里顯示了N元素對(duì)Y6的深度剖面。

（g-h）BHJ（G）和LbL（H）共混器件的形態(tài)特征和可能的物理動(dòng)力學(xué)機(jī)制的視覺插圖。

圖三：BHJ和LbL器件的光電參數(shù)及其物理動(dòng)力學(xué)

（a-b）最佳性能的BHJ和LbL基設(shè)備的J-V（a）和EQE（b）曲線。

（c）PCE的直方圖為30個(gè)BHJ電池和30個(gè)LbL電池。

（d）從BHJ和LbL薄膜中獲得的空穴遷移率；由Photo-CELIV測(cè)試獲得的BHJ和LbL器件的載流子遷移率。

（e）不用光照強(qiáng)度下載流子密度和載流子壽命的函數(shù)關(guān)系及其擬合。

圖四：大面積太陽能組件的制造與器件性能

（a）大面積太陽能組件的LbL工藝流程圖。

（b）基于LbL PM6/Y6薄膜的太陽能組件圖像，活性面積為11.52cm2，最佳GFF為91.4%。

（c）使用BHJ和LbL涂膜方法制備器件的J-V曲線。

（d）PCE直方圖為15個(gè)BHJ太陽能組件和15個(gè)LbL太陽能組件。

（e）BHJ和LbL太陽能電池和組件的串聯(lián)電阻值。

（f）不同器件面積和加工技術(shù)的優(yōu)化器件PCEs的時(shí)間演變圖，以及太陽能組件PCEs在用不同印刷或涂層技術(shù)制備上的分布圖。

（g）有機(jī)太陽能組件的PCEs基于GFF值方面的分布圖。

小結(jié)

報(bào)告了一種LbL逐層涂膜方法，作為高性能大面積太陽能電池和組件的可印刷策略。該方法具有光吸收率高、合適的垂直相分離、良好的實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)，賦予了LbL器件優(yōu)異的電荷傳輸和萃取性能。因此，基于LbL的PM6/Y6 OSCs的PCE（16.35%）比傳統(tǒng)BHJ涂膜方法（15.37%）更高。此外，文章中也研究了其他三種高性能非富勒烯體系，包括PM6：Y6-2Cl、PTQ10：Y6和PM6：Y6-C2，進(jìn)一步證明了LbL涂層方法的優(yōu)良通用性。進(jìn)一步，與BHJ組件（10.15%）相比，在有效面積為11.52cm2，GFF超過90%的情況下，基于LbL的組件能夠獲得更高的器件效率（11.86%）。這些結(jié)果表明LbL處理策略可以顯著減小組件效率的滯后?？傊?，這項(xiàng)工作不僅進(jìn)一步揭示了LbL涂層策略的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而且還展示了一種成功的印刷技術(shù)，即通過LbL策略處理光活性層，將有機(jī)太陽能電池升級(jí)到高性能的大規(guī)模生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：A -by- Architecture for Printable Organic Solar Cells Overcoming the Scaling Lag of Module Efficiency(Joule 2019, DOI:10.1016/j.joule.2019.12.004)

通訊作者簡(jiǎn)介

閔杰研究員，武漢大學(xué)高等研究院特聘研究員、博導(dǎo)。主要研究方向：有機(jī)太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池等。

2008-2011年在中國科學(xué)院化學(xué)研究所李永舫院士課題組攻讀聯(lián)合培養(yǎng)碩士，2015年獲得德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)博士學(xué)位，之后留在Christoph J. Brabec教授團(tuán)隊(duì)從事博士后研究。2017年至今任武漢大學(xué)高等研究院研究員，獨(dú)立建組，并從事有機(jī)太陽能電池及其相關(guān)方向的研究工作：重點(diǎn)圍繞“材料化學(xué)-形貌物理-衰減機(jī)制-器件工程”的研究鏈條開展目標(biāo)導(dǎo)向性基礎(chǔ)研究，解決光電領(lǐng)域中關(guān)鍵科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題?；貒陙?，以通訊作者身份在Joule（1篇）; Energy Environ. Sci.,（3篇）; Adv. Mater（1篇）; Adv. Energy Mater（3篇）; Angew. Chem. Int. Ed,（1篇）等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文23篇。

本文由大兵哥供稿。