聚合物添加剂作为形貌调节剂提升全小分子有机太阳能电池的效率和稳定性

doi:10.7503/cjcu20230047

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (7): 20230047.doi: 10.7503/cjcu20230047

聚合物添加剂作为形貌调节剂提升全小分子有机太阳能电池的效率和稳定性

时宇¹, 张榴¹, 国霞²(), 王阳¹, 肖海芹¹, 房进¹, 周祎¹, 张茂杰¹^,²()

^1.苏州大学材料与化学化工学部, 苏州市新型半导体光电材料与器件重点实验室, 苏州 215123
^2.山东大学化学与化工学院，国家胶体材料工程技术研究中心, 济南 250100

收稿日期:2023-02-06 出版日期:2023-07-10 发布日期:2023-04-07
通讯作者: 国霞 E-mail:guoxia0610@sdu.edu.cn;mjzhang@sdu.edu.cn
作者简介:张茂杰, 男, 博士, 教授, 主要从事有机光伏领域方面的研究. E-mail: mjzhang@sdu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51973146);山东省自然科学基金会(ZR2022JQ09)

All-small-molecule Organic Solar Cells with Enhanced Efficiency and Stability Enabled by Polymer Additive as a Morphology Modulator

SHI Yu¹, ZHANG Liu¹, GUO Xia²(), WANG Yang¹, XIAO Haiqin¹, FANG Jin¹, ZHOU Yi¹, ZHANG Maojie¹^,²()

^1.Suzhou Key Laboratory of Novel Semiconductor?optoelectronics Materials and Devices，College of Chemistry，Chemical Engineering and Materials Science，Soochow University，Suzhou 215123，China
^2.National Engineering Research Center for Colloidal Materials，School of Chemistry & Chemical Engineering，Shandong University，Jinan 250100，China

Received:2023-02-06 Online:2023-07-10 Published:2023-04-07
Contact: GUO Xia E-mail:guoxia0610@sdu.edu.cn;mjzhang@sdu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51973146);the Shandong Provincial Natural Science Foundation, China(ZR2022JQ09)

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摘要/Abstract

摘要：

活性层形貌的调控是实现全小分子有机太阳能电池高效率和稳定性的关键. 本文将聚合物给体PM7作为形貌调节剂加入到BTTzR∶Y6二元体系中, 制备了三元全小分子有机太阳能电池. 研究结果表明, 少量PM7的加入能够有效改善共混膜中的微观纳米结构和分子堆积，促使器件获得更加有效的激子解离和载流子传输；相应器件的短路电流和填充因子显著提升，最终能量转化效率从二元器件的13.9%提高到三元器件的16.0%. 值得注意的是，三元器件的热稳定性大幅提升，在85 ℃加热2200 min后依然能够保持初始效率的79%；而二元器件则大幅衰减到初始效率的43%. 以上结果表明, 添加聚合物添加剂可以有效地调节共混膜形貌, 以获得高效和稳定的全小分子有机太阳能电池.

关键词: 全小分子有机太阳能电池, 聚合物添加剂, 形貌调控, 高效率与稳定性

Abstract:

For all-small-molecule organic solar cells（ASM-OSCs）， modulating the morphology of active layer has been a challenging and urgent issue to achieve high efficiency and stablity. In this work， a polymer donor PM7 as a morphology modulator was incorporated to a BTTzR∶Y6 system to fabricate ternary ASM-OSCs. A small amount of PM7 could promote more favourable nanostructure and ordered molecular packing in the blend film， resulting in more efficient excition dissiociation and charge carrier transport in the device. As a result， the optimal ternary devices exhibited a significantly improved power conversion efficiency（PCE） of 16.0% with simultaneously enhanced short circuit current（J_SC） and fill factor（FF） compared to the binary devices with a PCE of 13.9%. Notably， after being heated at 85 ℃ for 2200 min， the ternary devices still retained 79% of its initial PCE， whereas the binary devices showed larger decay to 43% in the same duration. The results demonstrated that adding the polymer additive can effectively modulate the blend morphology for highly efficient and stable ASM-OSCs.

Key words: All-small-molecule organic solar cell, Polymer additive, Morphology modulator, High efficiency and stability

中图分类号:

O649

TrendMD:

时宇, 张榴, 国霞, 王阳, 肖海芹, 房进, 周祎, 张茂杰. 聚合物添加剂作为形貌调节剂提升全小分子有机太阳能电池的效率和稳定性. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230047.

SHI Yu, ZHANG Liu, GUO Xia, WANG Yang, XIAO Haiqin, FANG Jin, ZHOU Yi, ZHANG Maojie. All-small-molecule Organic Solar Cells with Enhanced Efficiency and Stability Enabled by Polymer Additive as a Morphology Modulator. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230047.

图/表 7

Fig.1 Molecular structures of BTTzR, Y6 and PM7(A), normalized UV⁃Vis⁃NIR absorption spectra of BTTzR, Y6 and PM7 in film states(B), UV⁃Vis⁃NIR absorption coefficients of BTTzR∶Y6 blends with different mass ratios of PM7(C) and energy level diagrams of BTTzR, Y6 and PM7(D)

Fig.2 J⁃V curves(A) and EQE spectra(B) of the BTTzR∶Y6 devices with different mass ratios of PM7, normalized PCE of devices based on BTTzR∶Y6 and BTTzR∶Y6 with 5%(mass fraction) PM7 of storage time at room temperature(C) and annealing time at 85 ℃(D) in a nitrogen glove box

Table 1 Photovoltaic parameters of devices based on BTTzR∶Y6 with different mass ratios of PM7 under the illumination of AM 1.5G, 100 mW/cm2

Mass fraction of PM7（%）	V_OC/V	J_SC/J_cal^a/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE ^b （%）
0	0.88（0.87±0.01）	23.1/22.6（22.8±0.3）	68.1（66.8±0.9）	13.9（13.7±0.2）
5	0.88（0.87±0.01）	24.4/23.6（23.9±0.3）	74.4（72.8±1.3）	16.0（15.7±0.3）
10	0.88（0.87±0.01）	24.3/23.4（23.8±0.3）	72.0（70.8±1.2）	15.4（15.1±0.3）
15	0.87（0.87±0.01）	24.2/23.3（23.7±0.3）	69.7（68.8±0.9）	14.8（14.5±0.3）

Fig.3 Hole and electron mobilities(A), transient photocurrent curves(B), transient photovoltage curves(C), photocurrent density(Jph) versus effective voltage(Veff) curves(D), light intensity dependence of JSC(E) and VOC(F) curves of the BTTzR∶Y6 devices with or without PM7

Fig.4 AFM height images(A), TEM images(B) and 2D GIWAXS patterns(C) of BTTzR∶Y6 blend films without(A1—C1) or with PM7(A2—C2), in⁃plane(D) and out⁃of⁃plane(E) Scattering profiles of BTTzR, PM7, Y6 pure films and BTTzR∶Y6, BTTzR∶Y6 with PM7 blend films

Fig.5 Contact angle images of BTTzR, PM7 and Y6 films tested by water and diiodomethane

Table 2 Surface energy(γ) and Flory-Huggins interaction parameter(χ) obtained from water and diiodomethane contact angle measurements of different films

Film	γ/（mN·m^-1）	χ with BTTzR	χ with Y6
BTTzR	36.24	—	2.04κ
PM7	36.72	0.02κ	1.64κ
Y6	41.08	2.04κ	—
BTTzR with PM7	37.68	—	0.98κ
Y6 with PM7	39.83	1.14κ	—

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聚合物添加剂作为形貌调节剂提升全小分子有机太阳能电池的效率和稳定性

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