【研究背景】
有機太陽能電池具有輕質、低成本、可彎折、高透光等優點,有望應用於便攜式充電設備，光伏建築一體化等領域，近年來由於新材料的開發以及界面工程的不斷優化，有機太陽能電池（OSCs）的效率也在不斷被刷新，目前有機太陽能電池最高效率已經可以達到17%。但是，這些突破性的過程是通過具有旋塗小面積的器件來實現的，大面積器件也可以通過旋塗來製備，但其功率轉換效率（PCE）比小面積器件低。而且大面積器件在製造中經常存在效率損失，嚴重阻礙了OSCs的應用。因此，太陽能電池器件製備的工藝必須將這些實驗室技術的機理和理解轉化為可大面積製備的、高度可重複的塗層工藝。
可大面積印刷技術作為商業應用中的一個關鍵步驟，已成為有機太陽能電池領域的一個研究熱點。刮刀塗布在大面積器件製備中已經被經常使用，但與傳統的旋塗相比還存在著薄膜的不一致性。刮刀塗布法與旋塗成膜的工藝不同，製備的器件效率一般要低於旋塗製備的器件，已經有很多研究工作者通過改變溶劑、改變刮刀速度來提升效率。最近很多三元器件策略來調控活性層形貌以及分子結晶度等，相比二元器件效率都有很大提升。但對於系統比較不同工藝製備方法下器件性能差異需要進一步解釋。
【研究亮點】
然而由於製備工藝的不同，從實驗室到大規模工業化製備過程中不可避免地會出現效率損失。事實上，光伏性能的下降主要與電壓損失有關，而電壓損失主要受活性層材料的相分離形貌多樣性和化學結構的影響。南昌大學陳義旺教授團隊在PBDB-T-2F:IT-4F體系中引入富勒烯衍生物ICBA控制刮刀塗布過程中的活性層形貌。ICBA作為一種對稱的富勒烯衍生物，可以調節結晶取向和分子堆積方向，抑制電荷載流子複合。這種三元策略克服了刮刀塗層過程中由於較弱的剪切作用而引起的形貌問題。利用此策略可以降低的非輻射覆合損耗，最終通過刮刀塗層工藝製備了效率為13.70%的1.05cm2器件。這種方法為在大面積印刷工藝中減少電壓損失提供了有效的支持。本文通訊作者為南昌大學陳義旺教授、胡婷博士和武漢大學閔傑教授。
文中：SC表示旋塗工藝，BC表示刮刀塗布工藝
圖1：a）旋塗、刮刀塗布以及大面積（1.05cm2）電池器件的示意圖。b）有效面積為1.05cm2的SC二元、BC二元、SC三元和BC三元器件的J-V曲線。c）ICBA作為第三組分減少能量損失的原理圖。
【圖文解析】
BC二元器件的平均PCE為12.33%，有效面積為1.05cm~2，低於SC二元器件的平均PCE為12.72%，如圖1b所示。這種效率損失主要是由於開路電壓（Voc）的降低，這與電壓損失有關。與旋塗法相比，印刷方法中存在較弱的剪切作用力，明顯不利於獲得理想的表面形貌和相分離。為此，引入了ICBAs受體，以獲得理想的活性層形貌，降低葉片塗層器件的電壓損耗。基於PBDB-T-2F:IT-4F:ICBA（1:0.9:0.1）的器件表現出最佳的性能，被定義為三元（BC-三元）器件的葉片塗層。並用旋塗法（SC三元）製備了相應的三元器件。OSCs的J-V曲線如圖1b所示。SC三元器件的平均PCE為12.92%，Voc為0.870 V，短路電流（Jsc）為20.25mA/cm2，填充因子（FF）為73.32%。對於BC三元器件，PCE高達13.17%，Voc接近0.871V。
圖2：a，d）SC二元系、b，e）bc二元系和c，f）BC三元系薄膜的af m高度和相位圖像（尺寸為2μm×2μm）和TEM圖像（尺寸為100nm×100nm）。
通過AFM以及TEM測試結果表明，SC二元膜和BC三元膜具有比BC二元膜更清晰的相分離結構。由此可見，ICBA可以有效地調節葉片塗層器件活性層的形貌。SC二元和BC三元器件較低的能量損耗主要是由於相分離形態更加明顯。
圖3：a）SC二元、BC二元和BC三元共混膜的GIWAXS二維散射圖和b）強度分佈。掠入射廣角X射線散射GIWAX研究了SC二元、BC二元和BC三元共混膜薄膜分子堆積及取向，所有薄膜在≈3nm-1處都顯示出類似的寬峰，這是由PBDB-T-2F和IT-4F的（100）層片狀堆積峰貢獻的。（010）π-π標記峰的強度較大，這可能是由離心效應引起的。與BC二元薄膜中，BC三元薄膜的（010）π-π鎖緊峰強度也有所增加。這主要是因為ICBA可以提高葉片塗層過程中共混物的結晶度。垂直方向上的增強表明了第三組分對分子堆積的影響，與之前的形貌特徵相吻合。
圖4：a）光電流密度Jph–有效電壓Veff曲線；b）短路電流密度對光的依賴性；c）開路電壓對光的依賴性；d）SC二元、BC二元和BC三元器件的時間分辨的熒光光譜TRPL（激發波長分別為805nm）。
從光電性能角度對器件進行Jph–Veff，光強依賴性及TRPL測試，表面BC三元器件由於激子解離、電荷轉移和電荷複合效率的提高，以及SRH複合率的降低，顯示出更高的光伏性能。進一步表明ICBA的引入可以有效地減少葉片塗層器件中的非輻射覆合。
【結論】ICBA被用來減少刮刀塗層器件（1.05cm2）中的非輻射覆合，達到13.70%的PCE。可見，不同印刷方法對異質結層的形貌演變，包括相分離的形成，有很大的影響。通過在刮刀塗布工藝中引入ICBA的第三組分，克服了由於較弱剪切作用力而產生的形貌問題，電壓得到了提升。更重要的是，這種變化通過定量計算能量損失得到驗證，主要是由於減少了非輻射覆合損失。進一步驗證了薄膜形貌的一致性，對有機光電器件從實驗室擴展到工業生產具有重要意義。最後，通過電荷動力學和複合機理的表徵，得出三元策略可以在印刷方法中獲得較好的光電性能。本工作為提高OSCs的電壓損耗和光伏性能提供了有效的技術支持。
參考文獻:
An Effective Method for Recovering Nonradiative Recombination Lossin Scalable Organic Solar Cells, (Adv. Funct. Mater. 2020, 2000417, DOI:10.1002/adfm.202000417)
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202000417
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