理解多尺度形貌中的共混相结构以制备高性能光伏电池

doi:10.7503/cjcu20230147

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (7): 20230147.doi: 10.7503/cjcu20230147

理解多尺度形貌中的共混相结构以制备高性能光伏电池

张明¹, 钟文楷¹, 钱诗赟¹, 吕博赛², 周冠清¹, 薛晓南¹, 周子春¹, 史志文², 朱磊¹(), 张永明¹^,³, 刘烽¹^,³()

^1.上海交通大学化学化工学院, 变革性分子前沿中心, 原位物质科学中心, 氢科学中心
^2.上海交通大学人工结构与量子控制教育部重点实验室, 物理与天文学院, 上海 200240
^3.东岳未来氢能材料公司含氟功能膜材料国家重点实验室, 淄博 256401

收稿日期:2023-03-29 出版日期:2023-07-10 发布日期:2023-05-18
通讯作者: 朱磊,刘烽 E-mail:zhulei1130@outlook.com;fengliu82@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51973110);中国博士后科学基金(2022M722072)

Understanding the Mixing Phase Structure in Multi-length-scale Morphology to Arrest High-performance Photovoltaic Devices

ZHANG Ming¹, ZHONG Wenkai¹, QIAN Shiyun¹, LYU Bosai², ZHOU Guanqing¹, XUE Xiaonan¹, ZHOU Zichun¹, SHI Zhiwen², ZHU Lei¹(), ZHANG Yongming¹^,³, LIU Feng¹^,³()

^1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Frontiers Science Center for Transformative Molecules，In?situ Center for Physical Science，Center of Hydrogen Science
^2.Key Laboratory of Artificial Structures and Quantum Control，Ministry of Education，School of Physics and Astronomy，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
^3.State Key Laboratory of Fluorinated Functional Membrane Materials，Dongyue Future Hydrogen Energy Materials Company，Zibo 256401，China

Received:2023-03-29 Online:2023-07-10 Published:2023-05-18
Contact: ZHU Lei, LIU Feng E-mail:zhulei1130@outlook.com;fengliu82@sjtu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51973110);the China Postdoctoral Science Foundation(2022M722072)

1. ESM to 20230147.pdf(1437KB)

摘要/Abstract

摘要：

将PC₇₁BM引入J51∶N2200和PM6∶Y6两个典型的有机光伏系统中, 研究了共混相的性质. 研究结果表明, 共混相中的激子离解和载流子传输过程是影响器件光电转换效率的关键. 在J51∶N2200∶PC₇₁BM共混薄膜中, PC₇₁BM在共混相内的聚集会引入能量势垒抑制空穴转移过程. 同时, 双纤维网络之间间隙的扩大限制了解离后的电子和空穴在共混区内的有效扩散, 从而导致较为严重的复合和能量损失. 而在PM6∶Y6∶PC₇₁BM共混薄膜中, 引入的PC₇₁BM分子均匀分布在共混相中, 并能与PM6和Y6分子较好地混合. 同时, PC₇₁BM的加入不会干扰Y6到PM6的空穴转移, 并增强了共混相的双极性传输特性. 这种形貌非常有优势, 其中存在大量的给受体界面, 且产生的电子和空穴可以迅速扩散, 并在晶相中高速传输至电极. 该结果揭示了在多尺度形貌调控中共混相结构的重要性, 是下一阶段有机太阳能电池效率超过20%需要重点考虑的问题.

关键词: 共混相, 多尺度形貌, 有机光伏, 光电转换效率

Abstract:

The properties of the mixing phase are investigated in detail by introducing PC₇₁BM into two typical organic photovoltaic blends J51∶N2200 and PM6∶Y6. It is found that the process of exciton dissociation and carrier transport in the mixing zone play a key role in determining the power conversion efficiency. In J51∶N2200∶PC₇₁BM blend， the aggregation of PC₇₁BM in the mixing zone brings in energetic barrier to inhibit the hole transfer process. In the meanwhile， the enlarged intervals in-between the double fibril network limit the effective diffusion of the split electrons and holes in the mixing zone， leading to large recombination and energy loss. While in PM6∶Y6∶PC₇₁BM blend， the introduced PC₇₁BM could homogeneously distribute in the amorphous zone， mixing well with PM6 and Y6 molecules. Meanwhile， the addition of PC₇₁BM does not perturb the hole transfer from Y6 to PM6. Such a morphology is advantageous where electrons and holes generated at abundant donor/acceptor interface could diffuse out rapidly， and transport in the crystalline pathway towards the corresponding electrodes. Such results reveal the importance of manipulating the mixing phase structure in the multi-length-scale morphology， of high demand towards 20% efficiency in the next episode organic solar cell（OSC） development.

Key words: Mixing phase, Multi-length-scale morphology, Organic photovoltaics, Power conversion efficiency

中图分类号:

O631

TrendMD:

张明, 钟文楷, 钱诗赟, 吕博赛, 周冠清, 薛晓南, 周子春, 史志文, 朱磊, 张永明, 刘烽. 理解多尺度形貌中的共混相结构以制备高性能光伏电池. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230147.

ZHANG Ming, ZHONG Wenkai, QIAN Shiyun, LYU Bosai, ZHOU Guanqing, XUE Xiaonan, ZHOU Zichun, SHI Zhiwen, ZHU Lei, ZHANG Yongming, LIU Feng. Understanding the Mixing Phase Structure in Multi-length-scale Morphology to Arrest High-performance Photovoltaic Devices. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230147.

图/表 6

Fig.1 Chemical structures(A), energy level diagram(B), thin film absorption coefficient of the materials used in the experiment(C) and the 2D GIWAXS patterns of the neat thin films(D)

Fig.2 Current density⁃voltage characteristics(A), external quantum efficiency spectra of the binary and ternary devices(B), characteristics of VOC(C), JSCversus light intensity for optimal binary and ternary devices(D)(the linear fitting was performed to obtain the recombination parameters as shown in the legend), normalized EL spectra of the BHJ and single⁃component devices(E) and the s⁃EQE spectra of the optimal binary and ternary devices, and the sub⁃gap is fitted with Gaussian to obtain the CT state energy(F)

Table 1 Summary of photovoltaics of binary and ternary solar cells under illumination of AM 1.5 G, 100 mW/cm2

m（J51）∶m（N2200）∶m（PC₇₁BM）	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^‒2）	FF（%）	PCE（%）	Average PCE（%）
1∶0.5∶0	0.82	13.48	66.32	7.33	7.04
1∶0.5∶0.2	0.78	13.31	62.92	6.53	6.41
1∶0.5∶0.4	0.76	13.21	60.11	6.04	5.83
1∶0.5∶0.6	0.76	13.09	59.33	5.90	5.53
1∶0.5∶0.8	0.76	12.97	57.04	5.62	5.37
1∶0∶1	0.76	8.90	66.13	4.47	4.13

Fig.3 2D GIWAXS patterns(A), fitted N2200(red bar), J51(blue bar) π⁃π peak area(B), RSoXS results(C), 2D PSoXS patterns at the energy of 285.4 and 292 eV, with the anisotropy factor inset in red(all share the same color bar)(D), and SNOM images of the J51∶N2200 blends with different PC71BM contents(E)

Fig.4 Color plot of fs transient absorption spectra of J51∶N2200(A) and J51∶N2200∶PC71BM(0.4)(B) blends at indicated delay times under 750 nm excitation with a fluence below 10 μJ/cm2, and corresponding representative fs TA spectra at indicated delay times(C, D), TA kinetics of hole transfer process for the blended films(solid circles) and corresponding bi⁃exponential fitting(solid line)(E) and charge transfer time achieved through multi-exponential fitting for different blended films(F)

Fig.5 The chemical structure of PM6, Y6 and PC71BM(A), the photovoltaic parameters of the PM6∶Y6 devices with varied PC71BM contents(B), the normalized EL(solid line) and s⁃EQE(dash line) spectra for the BHJ devices with semi⁃logarithmic plot(C), the area(D) and CCL(E) of the Y6(020) peak and PM6 lamellae peak for the blends with different PC71BM contents, the RSoXS results of the blends thin films with different PC71BM contents(F), TA kinetics of hole transfer process for the blended films(solid circles) and corresponding bi⁃exponential fitting(solid line)(G), the schematic illustrates the morphology difference in J51∶N2200∶PC71BM(H) and PM6∶Y6∶PC71BM(I) blends

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