李刚/杨阳Joule：原位形成并调控有机太阳能电池p-i-n微结构实现19.4%效率

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

2024年1月11日，香港理工大学电机及电子工程学系李刚教授联合美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）杨阳教授在Cell Press细胞出版社期刊Joule上发表了题为“Achieving 19.4% organic solar cell via an in situ formation of p-i-n structure with built-in interpenetrating network”的研究论文。论文第一作者为UCLA张颖研究员。

研究背景

有机太阳能电池（OSCs）因其质轻、柔性、半透明以及可印刷等优点而受到研究人员的广泛关注。近期，有机太阳能电池发展迅速，已实现创纪录的单节光电转换效率（PCE）逼近20%。但是，有机活性层的微观结构还是以体相异质结（BHJ）为主，这种结构一开始是为了扩大给受体的界面以此增加激子解离概率从而提高光子利用率为出发点考虑的。然而，有机太阳能材料的激子扩散长度非常有限（10-20 nm），而BHJ的较均匀的垂直相分离不利于电荷在垂直方向上的传输，反而会增加电子空穴在靠近电极方向的复合，从而抑制BHJ-OSC 的PCE的进一步提高。因此，受到硅电池的p-i-n结构的启发，调控有机太阳能电池活性层的p-i-n的垂直形貌是非常有必要的，一方面会保证充分的给受体界面用于激子解离，一方面又会保证靠近电极方向较纯的域用作电荷传输的高速通道。基于此，如何调控OSC的p-i-n的微结构仍然具有挑战性并且缺乏系统深入的研究。

本文要点

要点一：通过分子“筛”概念引入客体受体巨分子实现层级结构的BHJ（p-i-n）

在顺序沉积的制备过程中，作者使用高效率体系PM6:BTP-eC9为主体体系，通过添加比主体小分子受体（BTP-eC9）尺寸大的客体受体巨分子（PY-IT），得到给受体在顺序沉积的薄膜中从下至上呈现更加明显的垂直层级分布。当受体分子向给体分子区域扩散的时候，下层PM6的溶胀孔洞原则上只能允许尺寸较小的BTP-eC9通过，而同时会把分子尺寸大的PY-IT筛选在外，从而达到调控给受体在垂直方向上的分布的目的。

图1：p-i-n垂直相分离的形成。

要点二：PY-IT可以调控顺序沉积中上层受体分子的自聚集行为以及受体分子向下沉积动力学

通过GIWAXS、GISAX和原位吸收等形貌测试手段，作者进一步发现PY-IT的添加会得到更加平衡的给受体结晶动力学-加快BTP-eC9的结晶同时又不会破坏下层PM6的堆积。这主要得益于PY-IT 在绿色试剂中较差的溶解性，会优先析出结晶，因此更容易诱导后续的BTP-eC9的结晶行为。此外，给受体的晶区的相干长度也得到增益，这样更有益于电荷的有效传输。

图2 顺序沉积薄膜形貌表征。

要点三：有机薄膜p-i-n结构展现优异的器件性能

作者发现p-i-n结构具有更高的开路电压（VOC）、短路电流（JSC）和填充因子（FF），从而实现了更高的光电转换效率，并且达到了19%的认证效率。

图3 有机太阳能电池的光伏性能。

要点四：p-i-n微观结构实现可印刷性以及可观的稳定性

作者实现了1 cm2器件的高效率刮涂，获得17.52%的PCE。更重要的是p-i-n的有机太阳能电池器件也表现出了更好的稳定性，在最大功率点追踪条件下p-i-n构造的OSC电池显示出更长的运行寿命，并且在最大功率点跟踪条件下700小时后保持了96%的初始效率。

图4 p-i-n实现高效率刮涂器件以及优异的光稳定性。作者简介

张颖，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）博士后研究员。博士毕业于香港理工大学。主要专注于第三代太阳能光伏器件的研究。以第一/通讯作者（含共）在Joule, Nature Communications, Advanced Materials, Energy Environment Science, Advanced Functional Materials,Accounts of Materials Research, EcoMat等期刊中发表SCI论文。

李刚，香港理工大学电机及电子工程学系能源转换技术讲席教授，钟士元爵士可再生能源教授，智慧能源研究院（RISE）副院长，粤港澳光热电能源材料与器件联合实验室主任（港方）。李刚教授主要研究方向为有机半导体、钙钛矿型薄膜光电器件。发表论文230 余篇，被引用7万8千余次。自2014年连续10年入选全球高被引科学家（材料学科、物理学、化学、交叉学科）。英国皇家化学会会士（FRSC），国际光学学会会士（Optica Fellow, 原 OSA 美国光学学会），国际光电工程学会会士（FSPIE），香港研究资助局高级研究学者（SRFS）。

相关论文信息

相关论文发表在CellPress细胞出版社旗下期刊Joule上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Achieving 19.4% organic solar cell via an in situ formation of p-i-n structure with built-in interpenetrating network

▌论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00501-9

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.12.009

阅读原文