CSNS中子反射率表征有机太阳能电池内部垂直相分布结构

研究背景/导读：

聚合物太阳能电池（PSCs）具有低成本生产、机械柔性、重量轻等优点。研究人员利用电子给体和受体的共混物溶液通过旋涂的方式得到体异质结（BHJ） PSCs，BHJ PSCs最近已达到16%-18%的能量转换效率(PCEs)。虽然BHJ-PSCs已经取得了很大的成功，但BHJ制备工艺并不是制备高效PSCs的理想方法，因为（i）BHJ形貌的形成强烈依赖于混合溶液的状态；（ii）给受体的垂直分布很难控制；（iv）给受体结晶时不可避免的相互干扰。而双层加工法（LBL）可以很好的解决上述问题。另外，在光活性层垂直相分离研究方面，XPS，TEM等手段对有机薄膜进行内部结构表征时都会引入杂质或破坏样品。

成果简介：

近日，华南师范大学刘升建教授团队联合中国散裂中子源王黎明助理研究员利用中子反射率（Neutron Reflectivity，NR）技术对逐层加工法（LBL）制备的高效全聚合物太阳能电池（all-PSCs）进行了给受体垂直分布的分析。结果表明，通过使用溶剂添加剂1-氯萘（CN）可以很好地优化给受体在薄膜内部的垂直组成分布。结果显示CN诱导的优化的垂直分布与改善的结晶度共同作用，有助于电荷运输和抽取以及有限的电荷复合损失。通过微观成分分布结合宏观性能分析，最终制备出效率16.1%，填充因77.3%的LBL器件。溶剂添加剂辅助的LBL溶液加工工艺对太阳能电池的进一步优化具有更广泛的意义。该文章近日以题为“Superior layer-by-layer deposition realizing P–i–N all-polymer solar cells with efficiency over 16% and fill factor over 77%”发表在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上。

更早一些时候，双方团队同样利用中子反射技术对LBL制备的PM6/Y6薄膜给受体垂直分布进行了结构表征和优化。通过使用溶剂添加剂1,8-二碘辛烷（DIO）可以很好地调节垂直组成分布。DIO诱导的良好的垂直成分分布与改善的结晶度串联，有助于有效的激子离解、电荷运输和萃取有限的电荷复合损失。因此，优化的LBL器件的效率为16.5％，高于对照体异质结太阳能电池的15.8％的效率。重要的是，基于PM6/Y6：PC₇₁BM LBL有源层的三元太阳能电池显示出有前途的效率超过17％。该文章近日以题为“Vertical Composition Distribution and Crystallinity Regulations Enable High-Performance Polymer Solar Cells with >17% Efficiency”发表在知名期刊ACS Energy Lett.上。这是截至发稿时报道的LBL太阳能器件的最高效率。

图文导读：

图一（a）全聚合物体系中BHJ、LBL薄膜结构示意图。（b）目前报道效率达到8%以上的all-PSCs的能量转换效率(PCE)与填充因子(FF)统计图。

图二、不同含量添加剂CN下的双层加工PBDB-T/PJ1器件的电流–电压和外量子效应图。

图三、（a）不同体积比CN下的PBDB-T/PJ1活性层的中子反射曲线，（b）拟合获得活性层深度方向上的受体的垂直分布。

NR拟合结果结果显示，在活性层的内部会形成一个给体和受体均匀混合层，且CN可调节均匀混合层所占整体薄膜厚度的比例，高比例的均匀混合层为电荷输运提供了良好的通道。这种给受体两端富集，中间均匀的结构形成的P-i-N异质结有利于孔洞和电子在相应电极的传输和释放，从而光电转化效率也得到了显著提高。

图四、（a）不同体积比CN下的PBDB-T/PJ1的GIWAXS示意图以及（b）相应成分下的GIWAXS面内和垂直面方向的切线图。

综上所述，作者通过LBL溶液加工技术可以制备出高效的太阳能电池。利用NR、GIWAXS表征CN添加剂对活性层内部给受体的垂直分布和结晶的微观结构的影响，通过宏观性能结合微观结构，分析发现P-i-N异质结的结构形成有利于孔洞和电子在相应电极的传输和释放，最终制备出效率为16.1%的全聚物太阳能电池器件。这表明LBL溶液加工技术是一种潜在的器件制造技术，可以用来生产更高效的聚合物太阳能电池。该论文进一步强调了调控相互扩散层（垂直分量分布）对提高LBL太阳能电池效率的重要性。

文献链接：Superior layer-by-layer deposition realizing P–i–N all-polymer solar cells with efficiency over 16% and fill factor over 77%（J. Mater. Chem. A, 2022,10, 10880-10891 ）

文献链接：Vertical Composition Distribution and Crystallinity Regulations Enable High-Performance Polymer Solar Cells with >17% Efficiency（ACS Energy Lett.,2020,5,3637-3646)

文献链接：Quantitative Determination of the Vertical Segregation andMolecular Ordering of PBDB-T/ITIC Blend Films with SolventAdditives（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020,12,24165−24173)

文献链接：Impact of Donor−Acceptor Interaction and Solvent Additive on theVertical Composition Distribution of Bulk Heterojunction PolymerSolar Cells（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019,11,45979–45990)

本文由作者供稿。