弯液面诱导制备全聚合物有机太阳能电池获新进展

有机光伏器件由于其良好的溶液加工性，可制备柔性器件，透明度和颜色可调等独特优势受到领域内研究人员的广泛关注。其中，基于全聚合物的太阳能电池 (all-polymer solar cells) 自身良好的力学性能和优异的器件稳定性，被认为是更有可能实现未来应用的光伏器件。然而，目前报道的高效率全聚合物太阳能电池 (PCE>15%)均基于旋涂方法，而旋涂法(spin coating)存在自身浪费材料，难以大面积制备，成膜时间较短等问题，亟待开展可适用于未来规模化生产的溶液印刷方法的高效率全聚合物的太阳能电池, 其相关成膜机理也需要深入研究。

近日中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞研究员团队与北京航空航天大学化学学院霍利军教授团队合作开发了一种基于弯液面诱导成膜(Meniscus Assisted Coating)的光伏活性层制备技术，并选取了具有良好吸收光谱互补和电子能级匹配的聚合物给体PM6和聚合物受体PY-IT作为光活性层材料，所制备的全聚合物太阳能电池效率为15.53%，高于传统旋涂法制备的14.58%。相关活性层形貌表征及瞬态吸收光谱动力学分析表明，基于弯液面诱导成膜法制备的活性层具有更有序的分子堆积和更为良好的纤维互穿网络结构，因此具有更高效的电荷转移和输运过程。

研究团队结合成膜过程中的三相接触线的移动和原位吸收光谱研究了不同溶液剪切速度条件下的三相接触线形态和材料结晶动力学。结果表明，在剪切速率为2 mm/s时，三相接触线保持了平直均匀的移动；且在该剪切速率下，活性层材料保持了较为合适的结晶速率和结晶性，从而获得形貌上更均匀、具有更合适相分离尺寸和结晶性的活性层薄膜。

在此成膜机理的基础上，研究团队将该弯液面诱导成膜法有效拓展至1cm×1cm器件制备(PCE>12%)和多种活性层薄膜制备，在PM6:Y6、PBDB-T:PY-IT、PM6:PYF-T-o体系均取得了15%以上的器件效率。

本工作的开展不仅提供了一种简单有效的制备全聚合物太阳能电池的溶液印刷方法，并对剪切速率的不同对成膜形貌的影响提供了重要的理论指导。

相关研究结果以 “The Meniscus-assisted-coating with Optimized Active Layer Morphology towards Highly Efficient All-polymer Solar Cells”发表在Advanced Materials上（https://doi.org/10.1002/adma.202108508）。该文章通讯作者为中国科学院理化技术研究所王京霞研究员和北京航空航天大学霍利军教授。第一作者为中国科学院理化技术研究所博士研究生岳钰琛。中国科学院理化技术研究所江雷院士为本研究提供了专业的指导和帮助。特别感谢北京大学占肖卫教授的在课题开展过程中给与的指导和帮助。

本研究得到国家自然基金项目（51873221，52073292，51673207，51373183），国家重大研究计划项目（2017YFA0204504）与中国科学院荷兰研究项目（1A111KYSB20190072），北京市科技计划项目的支持。

图1.基于弯液面诱导成膜法的制备过程，活性层材料分子结构及性质，单组分薄膜结晶性表征

图2.基于弯液面诱导成膜法和旋涂法制备的全聚合物太阳能电池的器件性能及瞬态吸收光谱表征

图3.基于弯液面诱导成膜法和旋涂法制备的活性层薄膜形貌和结晶性表征

图4.基于弯液面诱导成膜法的成膜机理及成膜过程中不同剪切速率下的三相接触线形态和移动

图5.基于弯液面诱导成膜法成膜过程中不同剪切速率下的原位吸收光谱及对应的结晶过程示意图

文章链接： https://doi.org/10.1002/adma.202108508