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高效率有机电子材料

“氟碳溶剂热浸泡”优化有机太阳能电池活性层形貌｜Nature Commu
来源: Nature自然科研   发布时间: 2020-11-13 16:43   76 次浏览   大小:  16px  14px  12px
“氟碳溶剂热浸泡”优化有机太阳能电池活性层形貌｜Nature Communications

Universal and versatile morphology engineering via hot fluorous solvent soaking for organic bulk heterojunction
近期，上海交通大学钟洪亮等在Nature Communications上发表题为“Universal and versatile morphology engineering via hot fluorous solvent soaking for organic bulk heterojunction”的研究论文，开发了一种“氟碳溶剂热浸泡”的策略，在相对温和的条件下，成功地优化了各种材料组合的共混薄膜形貌，提升了有机太阳能电池性能。
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图 1. (a)氟碳溶剂热浸泡方法示意图；(b)氟碳溶剂的温度依赖互溶性；不同后处理工艺的(c)器件性能与(d)活性层形貌.
有机太阳能电池具有轻薄、柔性和可高通量溶液加工等独特优势，作为新一代光伏技术而受到广泛关注。为了实现高的光电转换效率和契合产业化需求，获得理想的本体异质结（BHJ）形貌仍是关键。在BHJ中，如果给/受体分子能够通过微相分离形成双连续的网状结构，并且自富集域维持在20-30 nm的尺度，这样的结构将有利于激子分离和载流子传输，从而提升光伏器件的性能。但是，目前对BHJ形貌精准调控的手段比较有限，已有方法的普适性和优化效果仍然有较大提升空间。针对这个挑战，作者开发了一种基于氟碳溶剂的后处理方法。氟碳溶剂具有双疏特性，对有机光伏材料和界面材料的溶解性较低。因此，氟碳溶剂作为热导率更高的液体介质，在浸泡过程中提供快速和均一的热量传递，既可加速给/受体分子的重组运动，又能保证已沉积的功能层和活性层不被破坏。更为重要的是，氟碳溶剂与有机溶剂具有温度依赖的互溶性，达到临界温度后，氟碳溶剂与旋涂加工的残留溶剂融合成一相，在活性层内部渗透，能够快速和选择性地重新排列给/受体分子。最终，在热和氟碳/有机混合溶剂的协同作用下，该方法可以在较低的温度和较短的时间内有效地调控有机分子在共混膜中的重新排布，获得微纳尺度的相分离和双连续网状结构。
以PM6:Y6体系为例，经过10分钟90 °C的热退火之后，器件的效率可达15.96%。而将活性层浸泡在全氟甲基环己烷（PFMCH）中，当达到PFMCH与与残留的氯仿和氯萘的共混温度(>50 °C)后，1分钟的浸泡就使得器件的光电转化效率迅速升高。为了进一步发挥氟碳溶剂的优势，作者选用了与残留溶剂互溶性更好，处理温度窗口更大的全氟甲苯(PFT)进行探索，通过80 °C下30秒的浸泡，获得了16.52%的光电转化效率，优于无后处理（15.21%）和传统热退火处理（15.96%）的器件性能。通过AFM，nano-IR，TEM和GIWAXS等测试可知，由PFT处理后的BHJ形貌更加理想，主要表现为：混合膜吸光范围小幅红移，受体小分子Y6通过重组运动获得更高的排列有序度，给体聚合物PM6组装为尺寸适中的纤维网状，从而器件的载流子迁移率更高，自由电荷的复合减少，最终在光伏器件中表现为更高的填充因子和短路电流密度。
此外，作者还将氟碳溶剂热浸泡方法应用于包括全小分子和全聚合物体系在内的其他材料体系，均可以优化形貌和提升器件性能，说明该方法具有优秀的普适性。特别是在一些体系中，传统的热退火方法无法提升甚至会破坏器件性能，但氟碳溶剂热浸泡方法仍然展现了良好的器件优化效果。这项工作发展了一种全新的用于BHJ形貌调控的新策略，相较于传统的热褪火方法，该方法具有温度低、处理时间短、普适性好等优势，为有机薄膜光电器件的性能优化提供了新的思路。
该工作的第一作者为钟洪亮课题组博士生单通，共同通讯作者为中科院苏州纳米所陈琪，上海交通大学刘烽，中科院苏州纳米所/上海交通大学陈立桅，上海交通大学钟洪亮。