添加剂和溶剂退火协同优化制备高性能厚膜有机太阳能电池

doi:10.7503/cjcu20230162

摘要/Abstract

摘要：

通过溶剂添加剂1-氯萘(CN)和二硫化碳(CS₂)溶剂退火(SVA)协同优化了基于窄带隙小分子受体的厚膜活性层形貌, 揭示了该策略对共混膜形貌的调控机理, 研究了其对活性层中的载流子动力学以及器件光伏性能的影响. 结果表明, CN添加剂可以有效促进受体材料结晶聚集, CS₂溶剂退火能够进一步提升活性层材料分子堆积的有序性, 同时优化给受体材料相分离尺寸, 降低共混膜表面的粗糙度, 实现了良好的纳米尺寸相分离形貌. 基于CN+SVA处理的PM6∶Y6厚膜(300 nm)器件的电荷传输和复合性质得到改善, 取得了15.23%的光电转换效率(PCE), 显著高于未经处理(PCE=11.75%)和仅用CN处理(PCE=13.48%)的光伏器件. 该策略具有良好的适用性, 将基于PTQ10∶m-BTP-PhC6器件的光伏性能从13.22%提升至16.92%.

关键词: 有机太阳能电池, 厚膜器件, 活性层形貌, 液体添加剂, 溶剂退火

Abstract:

The solvent additive 1-naphthalene（CN） and carbon disulfide（CS₂） solvent vapor annealing（SVA） were cooperatively used to optimize the thick-film active layer morphology based on the narrow band-gap small acceptors. The regulation mechanism of this strategy on the blend film morphology was revealed， and the effect of the strategy on the carrier dynamics as well as the photovoltaic performance of the device was investigated. The results show that the additive CN can effectively promote the crystallization and aggregation of the acceptor materials， and CS₂ solvent vapor annealing can further improve the molecular stacking properties of donor/acceptor materials， reduce the surface roughness of the blend film， and thus obtain good nano-scale phase separation morphology. Therefore， the charge transport and recombination properties of PM6∶Y6-based thick-film（300 nm） devices are effectively improved， thus obtaining the power conversion efficiency（PCE） of 15.23%， which is significantly higher than that of devices without additive treatment（PCE=11.75%） and CN-treated devices（PCE=13.48%）. Moreover， this strategy can also be used to optimize the PTQ10∶m-BTP-PhC6-based blend film morphology， and improve the photovoltaic performance of the devices from 13.22% to 16.92%.

Key words: Organic solar cell, Thick-film device, Active layer morphology, Solvent additive, Solvent vapor annealing

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 9

Fig.1 Device structure of OSCs and chemical structures of CN, CS2, and the photovoltaic materials

Fig.2 J⁃V curves(A) and EQE spectra(B) of the OSCs based on PM6∶Y6(1∶1.2, mass ratio) without or with different treatments

Table 1 Photovoltaic performance of the OSCs based on PM6∶Y6(1∶1.2, mass ratio) under AM 1.5G illumination at 100 mW/cm2*

Treatment	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	PCE（%）	Thickness/nm
W/O	0.849（0.849±0.003）	26.07（25.87±0.29）	0.530（0.522±0.012）	11.75（11.48±0.22）	302（300±10）
0.75%CN	0.834（0.833±0.001）	27.18（27.12±0.11）	0.594（0.591±0.004）	13.48（13.26±0.08）	300（302±5）
0.75%CN+SVA	0.825（0.823±0.003）	28.55（28.33±0.17）	0.645（0.644±0.009）	15.23（15.04±0.21）	293（297±8）

Table 2 Photovoltaic performance of the OSCs based on PM6∶Y6(1∶1.2, mass ratio) with different SVA time under AM 1.5G illumination at 100 mW/cm2*

SVA time/min	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	PCE（%）	Thickness/nm
0.5	0.827（0.827±0.001）	25.08（25.00±0.08）	0.611（0.607±0.005）	12.66（12.53±0.14）	302（304±6）
1	0.822（0.821±0.001）	25.57（25.50±0.15）	0.625（0.619±0.005）	13.12（12.94±0.12）	296（298±6）
2	0.821（0.820±0.001）	25.99（25.89±0.10）	0.634（0.632±0.006）	13.51（13.39±0.14）	298（300±5）
3	0.813（0.813±0.003）	25.93（25.70±0.50）	0.638（0.634±0.007）	13.44（13.21±0.21）	306（301±3）

Fig.3 Normalized UV⁃Vis absorption spectra of PM6 and Y6 neat films treated without or with SVA treatment(A), UV⁃Vis spectra of PM6∶Y6 blend film processed with CN and CN+SVA(B)

Fig.4 Jphvs.Veff curves(A), hole and electron mobilities(B), light⁃intensity dependence of VOC(C), dependence of JSC on the light intensity(D), transient photovoltage curves(E), and transient photocurrent curves(F) for the OSCs based on PM6∶Y6 treated without or with different treatments

Fig.5 AFM height images(A—C) and TEM images(D—F) of the PM6∶Y6 blend films without(A, D) or with CN(B, E) and CN+SVA(C, F)(A) Rq=1.22 nm; (B) Rq=1.65 nm; (C) Rq=1.35 nm.

Fig.6 J⁃V curves of the OSCs based on PTQ10∶m⁃BTP⁃PhC6(1∶1.2, mass ratio) without or with different treatments

Table 3 Photovoltaic performance of the OSCs based on PTQ10∶m-BTP-PhC6(1∶1.2, mass ratio) under AM 1.5G illumination at 100 mW/cm2*

Treatment	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	PCE（%）	Thickness/nm
W/O	0.860（0.860±0.005）	25.37（25.18±0.22）	0.608（0.605±0.010）	13.22（13.07±0.14）	300（300±8）
1%CN	0.851（0.848±0.003）	27.18（27.04±0.13）	0.697（0.692±0.009）	16.11（15.85±0.21）	303（300±10）
1%CN+SVA	0.851（0.849±0.003）	28.03（27.90±0.14）	0.710（0.704±0.005）	16.92（16.66±0.13）	308（303±7）

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