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)因自身良好的力學性能和優(yōu)異的器件穩(wěn)定性，被認為是可能實現(xiàn)未來應用的光伏器件。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)成膜機理也需要進一步研究。
近日，中國科學院院士、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化學學院教授霍利軍團隊合作開發(fā)出基于彎液面誘導成膜(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)吸收光譜動力學分析表明，基于彎液面誘導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。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。
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.基于彎液面誘導成膜法和旋涂法制備的活性層薄膜形貌和結(jié)晶性表征
