有機光伏器件由于其良好的溶液加工性、可制備柔性器件、透明度和顏色可調(diào)等優(yōu)勢受到關(guān)注。其中，基于全聚合物的太陽能電池(all-polymer solar cells)因自身良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的器件穩(wěn)定性，被認(rèn)為是可能實現(xiàn)未來應(yīng)用的光伏器件。然而，目前報道的高效率全聚合物太陽能電池(PCE>15%)均基于旋涂方法，但旋涂法(spin coating)存在自身浪費材料、難以大面積制備、成膜時間較短等問題。因此，開展可適用于未來規(guī)模化生產(chǎn)的溶液印刷方法的高效率全聚合物太陽能電池十分必要， 其相關(guān)成膜機理也需要進(jìn)一步研究。
近日，中國科學(xué)院院士、中科院理化技術(shù)研究所研究員江雷/研究員王京霞團隊與北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授霍利軍團隊合作開發(fā)出基于彎液面誘導(dǎo)成膜(Meniscus Assisted Coating)的光伏活性層制備技術(shù)，并選取了具有良好吸收光譜互補和電子能級匹配的聚合物給體PM6和聚合物受體PY-IT作為光活性層材料，所制備的全聚合物太陽能電池效率為15.53%，高于傳統(tǒng)旋涂法制備的14.58%。相關(guān)活性層形貌表征及瞬態(tài)吸收光譜動力學(xué)分析表明，基于彎液面誘導(dǎo)成膜法制備的活性層具有更有序的分子堆積和更好的纖維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此具有更高效的電荷轉(zhuǎn)移和輸運過程。
研究團隊結(jié)合成膜過程中的三相接觸線的移動和原位吸收光譜，研究了不同溶液剪切速度條件下的三相接觸線形態(tài)和材料結(jié)晶動力學(xué)。結(jié)果表明，在剪切速率為2 mm/s時，三相接觸線保持了平直均勻的移動，并且在該剪切速率下，活性層材料保持了合適的結(jié)晶速率和結(jié)晶性，從而獲得形貌上更均勻、具有更合適相分離尺寸和結(jié)晶性的活性層薄膜;在此基礎(chǔ)上，研究團隊將該彎液面誘導(dǎo)成膜法有效拓展至1cm×1cm器件制備(PCE>12%)和多種活性層薄膜制備，在PM6:Y6、PBDB-T:PY-IT、PM6:PYF-T-o體系均取得了15%以上的器件效率。
該研究提供了簡單有效的制備全聚合物太陽能電池的溶液印刷方法，并為探究不同剪切速率對成膜形貌的影響提供了理論指導(dǎo)。
相關(guān)研究成果以The Meniscus-assisted-coating with Optimized Active Layer Morphology towards Highly Efficient All-polymer Solar Cells為題，發(fā)表在Advanced Materials上。研究工作得到國家自然基金項目、國家重大研究計劃項目、北京市科技計劃項目等的支持。
圖1.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法的制備過程，活性層材料分子結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，單組分薄膜結(jié)晶性表征
圖2.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法和旋涂法制備的全聚合物太陽能電池的器件性能及瞬態(tài)吸收光譜表征
圖3.基于彎液面誘導(dǎo)成膜法和旋涂法制備的活性層薄膜形貌和結(jié)晶性表征
