华南理工黄飞团队Joule：单组分无卤溶剂加工高性能有机太阳能电池模组，效率超过14%

【引言】

本体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSCs）由于其在通过高通量印刷技术制造大面积太阳能电池板和彩色半透明器件的巨大潜力而受到广泛关注。近年来，得益于非富勒烯受体（NFAs）高效电荷产生和分离、低能量损失、可调吸收光谱和能级等明显优势，OSCs在能量转换效率（PCE）方面取得了很大的进展。其中，Y6及其衍生物是非富勒烯受体领域最重要的突破之一，使单结OSCs的PCE提升超过16%，在获得高性能模组器件方面显示出巨大潜力。虽然基于NFAs的小面积器件取得了令人鼓舞的结果，但大面积模组效率仍然远远落后。构建大面积模组的主要问题之一是加工溶剂的毒性：高性能的旋涂小面积器件通常是利用卤素溶剂（如氯苯、氯仿等）在手套箱中制备；但在制作大面积模组时，有毒溶剂对人员和环境的威胁不容忽视。为了提高无卤溶剂加工OSCs的性能，研究人员做了包括修改活性层的分子结构、加入添加剂、采用新的器件结构等方面努力，但由于活性层的不利形貌，高效活性层和低毒加工溶剂的组合选择仍较少。此外，还应考虑到在旋涂小面积器件中，由于强烈的离心效应，活性层可以迅速固化。但在印刷大面积模组器件中，活性层往往要经历相对较长的固化时间，这将导致活性层材料进一步聚集。因此，抑制活性层的过度聚集应该是有效缩小旋涂小面积器件和印刷大面积模组之间的效率差距的一种潜在策略。因此，通过热溶剂加工、真空辅助退火、设计共聚物和引入添加剂等措施均被用来抑制印刷活性层的过度聚集，追求最佳的形貌。但是，关于无卤溶剂加工的高性能OSCs组件的研究报道较少，以往文献中最佳的PCE为10.4%。

【成果简介】

近日，华南理工大学黄飞教授课题组设计了一种非富勒烯受体DTY6，并应用于有机太阳能电池（OSC）模组器件中。当与给体PM6混合时， 使用无卤溶剂邻二甲苯（XY）加工的OSCs表现出优异的性能，能量转换效率（PCE）超过16%。相反，当使用邻二甲苯加工基于PM6:Y6的OSCs时，器件表现出较差的性能（PCE<11%）。详细的研究表明，由于Y6的过度聚集，Y6在混合膜中出现了极大的受体相，导致Y6向PM6的空穴转移效率低下，非辐射复合增强。相反，基于DTY6的薄膜表现出较为合理的相尺寸，从而保证了DTY6向PM6的高效空穴转移和低的非辐射复合。基于上述结果， 通过刮刀涂布法制备了无卤溶剂邻二甲苯加工的大面积（活性层面积为18 cm²）不透明和半透明的PM6：DTY6模组器件，并获得了14.4％和11.6％的优异PCEs。该成果以题为“Single-Component Non-halogen Solvent-Processed High-Performance Organic Solar Cell Module with Efficiency over 14%”发表在了Joule上。

【图文导读】

图1化学结构、能级图和吸收光谱图

（A）本研究中使用的材料和溶剂的化学结构。

（B）PM6、Y6和DTY6的能级图。

（C）Y6在溶液和薄膜中的吸收光谱。

（D）DTY6在溶液和薄膜中的吸收光谱。

图2活性层薄膜的表面形貌和相分离

（A-D）不同溶剂加工的PM6:Y6和PM6:DTY6共混活性层薄膜的AFM图像。

（E-H）不同溶剂加工的PM6:Y6和PM6:DTY6共混活性层薄膜的TEM图像。

图3 活性层膜的分子堆积行为

（A-D）不同溶剂加工的PM6:Y6和PM6:DTY6共混物的活性层膜的GIWAXS二维图形。

（E）相应的平面外（实线）和平面内（虚线）剖线轮廓。

图4器件性能、电荷复合行为和能量损失

（A）J-V曲线。

（B）EQE曲线。

（C）V_oc与光强度的关系。

（D）FTPS-EQE光谱。

（E）EL光谱。

（F）能量损失。

图5大面积不透明和半透明组件

（A）基于PM6:DTY6的不透明和半透明模组的实物照片，有效面积为18 cm²。

（B）基于PM6:DTY6的不透明和半透明模组的J-V曲线。

（C）文献报道的有效面积大于10 cm²的大面积不透明模组的PCE比较。

【小结】

综上所述，团队通过延长Y6分子的烷基链，合成了一个非富勒烯受体（DTY6）。当与聚合物给体PM6混合时，无论加工溶剂是CF还是XY，PM6:DTY6基OSCs均表现出超过16%的PCEs。然而，对于PM6:Y6的体系，XY加工的OSCs光伏性能较差，PCE < 11%，远远落后于氯仿（CF）加工的器件（PCE = 15.7％）。详细研究发现，XY加工的PM6:Y6器件较低的PCE源于Y6的过度聚集，导致Y6向PM6的空穴转移效率低，非辐射复合增强。相比之下，对于PM6:DTY6的共混物，由于长支烷基链保证了溶剂加工能力，并且长支烷基链的空间位阻效应抑制了过度聚集，CF和XY加工后的薄膜表面更加光滑，相分离合理，相尺度较小。在这些结果的基础上，制备了无卤溶剂XY加工的活性面积为18 cm²的大面积组件，获得了14.4%的优异PCE，经第三方认证机构认证为13.98%。此外，还制备了半透明组件，当沉积20 nm Ag作为半透明电极时，获得了11.6%的最佳PCE。研究结果表明，侧链工程是实现无卤溶剂加工大面积高效组件的有效策略。

文献链接：Single-Component Non-halogen Solvent-Processed High-Performance Organic Solar Cell Module with Efficiency over 14%（Joule， 2020，DOI: 10.1016/j.joule.2020.07.028）

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