挥发固体添加剂调控有机太阳能电池性能的研究进展

doi:10.7503/cjcu20230151

摘要/Abstract

摘要：

本体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSC)因具有可溶液制备、绿色无毒及可柔性化等特点而被视为具有广阔应用前景的太阳能电池技术之一. 活性层内部的纳米形貌是决定器件性能和工作稳定性的关键因素之一. 基于此, 研究者先后开发了热退火、溶剂退火和溶剂添加剂等形貌优化方法. 然而, 上述处理方式不能与大面积印刷工艺兼容, 而且不利于器件内部形貌和性能的稳定性, 因此寻找简单高效的形貌调控手段是OSC研究的热点. 近年来, 挥发固体添加剂因其独特的分子特性, 能够与给受体分子间形成较强的相互作用力, 被认为是提升OSC能量转换效率(PCE)和稳定性的发展方向. 本文系统总结了非卤素及卤素型挥发固体添加剂调控OSC形貌和光伏性能的研究现状, 深入讨论了挥发固体添加剂优化活性层形貌的不同机理, 包括分子间吸附能、给体与受体的相互作用、晶体成核和生长等; 分析了挥发固体添加剂策略所面临的挑战和未来的发展趋势.

关键词: 有机太阳能电池, 挥发固体添加剂, 非富勒烯受体, 器件性能, 分子间相互作用力

Abstract:

Bulk heterojunction（BHJ） organic solar cells（OSCs） are considered a promising photovoltaic technology due to their solution-processability， eco-friendliness， non-toxicity， and flexibility. The nanoscale morphology of the active layer is a key factor that determines device performance and stability. Researchers have developed various morphology optimization methods， such as thermal annealing， solvent annealing， and solvent additives. However， these treatment methods are incompatible with large-area printing processes and may compromise the internal morphology and device performance stability. Consequently， it is essential to screen a simple yet efficient approach for morphology control in OSC area. In recent years， volatile solid additives have emerged as a feasible direction to improve the energy conversion efficiency（PCE） and stability of OSCs due to their unique molecular properties， which can form strong interaction forces with donor/acceptor molecules. This article systematically summarized the research status of non-halogenated and halogenated volatile solid additives in regulating the morphology and photovoltaic performance of OSCs. We deeply discussed the different mechanisms of optimizing active layer morphology by volatile solid additives， including molecular adsorption energy， interaction between donor and acceptor， crystal nucleation， and growth. Finally， this article analyzed the challenges and future development trends of volatile solid additive.

Key words: Organic solar cell, Volatile solid additive, Non-fullerene acceptor, Photovoltaic performance, Intermolecular interaction

中图分类号:

O613.4

TrendMD:

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图/表 11

Fig.1 Schematic diagram of the optoelectronic conversion process of organic solar cells(A) and the donor∶acceptor blend morphology of the active layer in OSC devices(B)

Table 1 Typical device photovoltaic performance based on non-halogen volatile solid additives

Donor∶Acceptor	Additive	J_SC/（mA∙cm^-2）	V_OC/V	FF（%）	PCE（%）	Ref.
PM7∶IT⁃4F	SA⁃1	20.6	0.87	77.0	13.8	［35］
PM6∶Y6	An	25.9	0.84	77.8	17.0	［36］
PTQ10∶m⁃BTP⁃PhC6∶PC₇₁BM	CN+DTT	26.99	0.87	80.6	18.89	［37］
PBQ6∶PYF⁃T⁃o	DTT	25.12	0.89	76.6	17.06	［38］
PM6∶Y6	Fc	26.71	0.84	76.0	17.40	［39］
PTzBI⁃dF∶Y6⁃BO	NT	27.35	0.84	76.45	17.45	［40］
PM6∶L8⁃BO	SAD⁃2	26.73	0.889	79.32	18.85	［41］
PBDB⁃T∶TTC8⁃O1⁃4F	DIO+DMON	23.0	0.82	70.3	13.3	［42］
PBDB⁃T∶ITIC	BP⁃BP	19.31	0.88	70.2	11.9	［43］
PM6∶L8⁃BO	2⁃HM	27.1	0.875	79.4	18.85	［44］
PM6∶PY⁃DT	2⁃MN	23.84	0.95	76.4	17.32	［45］

Fig.2 Schematic diagram of the molecular structure of non⁃halogenated volatile solid additive

Fig.3 TGA curve of SA⁃1 solid(A), absorption spectra of SA⁃1 in blend system with or without thermal annealing treatment(B) and schematic diagram of the basic process evolution of solid additives in PBDB⁃TF∶IT⁃4F blend system(C)[35]Copyright 2018， Springer Nature.

Fig.5 Molecular self⁃assembly evolution of NT solid(A), ideal structural configuration of non⁃fullerene Y6 molecules with NT molecules(B), schematic diagram of photoelectric conversion of blend film after the introduction of NT molecules(C)[40], the schematic diagram of working mechanism SAD⁃2 operation(D)[41]（C） Copyright 2022， Wiley-VCH；（D） Copyright 2022， American Chemical Society.

Fig.6 Schematic diagram of the molecular structures of halogen⁃type volatile solid additives

Fig.7 ESP distributions of DTBF, PM6, BO⁃4Cl(A), the four⁃pole moment direction of the DTBF(B) and Non⁃covalent interactions(NCI) by reduced density gradient analysis between BO4Cl and DTB or DTBF(C)[46]Copyright 2021， Wiley-VCH.

Fig.8 Device efficiency attenuation curve over additive concentration(A), the device performance variation with the varied active layer thickness(B), stored PCE values for time variation(C)[49], the device Pseudo⁃bilayer device preparation flowchart(D)and J⁃V curve of a pseudo⁃bilayer device(E)[50]（C） Copyright 2021， Elsevier；（E） Copyright 2022， Wiley-VCH.

Fig.9 Molecular dipole direction of DBCl, Y6 and DBCl∶Y6 dimer(A), GIWAXS pattern of blend film without(B) and film with(C) DBCl additive, conforcal Raman mapping pattern of blend film without(D) and with(E) DBCl additive[52]Copyright 2022， Wiley⁃VCH.

Table 2 Typical device photovoltaic performance based on halogen volatile solid additives

Donor∶Acceptor	Additive	J_SC/（mA∙cm^-2）	V_OC/V	FF（%）	PCE（%）	Ref.
PM6∶BO4Cl	DTBF	26.2	0.85	77.0	17.1	［46］
PM6/BTP⁃eC9	FBT	26.68	0.84	79.52	17.7	［47］
PM6∶Y6	A3	26.5	0.82	76.05	16.5	［48］
PM6∶Y6∶ICBA	DIB	26.5	0.84	79.62	17.72	［49］
D18⁃Cl/N3	DIB	27.18	0.86	78.8	18.42	［50］
D18⁃Cl∶L8⁃BO	DIB	26.6	0.92	75.6	18.7	［51］
PM6∶L8⁃BO	DBCl	25.9	0.89	80.2	18.5	［52］
PBQx⁃TF∶eC9⁃2Cl	DCBB	27.2	0.879	80.4	19.2	［53］
PM6∶BTP⁃eC9	TCB	27.88	0.861	80.69	19.31	［54］
PM6∶Y6⁃BO	INB⁃F	26.5	0.82	76.7	16.7	［55］
PM6∶Y6⁃BO	INB⁃5F	27.7	0.82	75.1	16.7	［56］

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