前言

香港理工大學(xué) Prof.李剛團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》中發(fā)表了一項(xiàng)研究結(jié)果。混合供體/受體材料。關(guān)于非共軛環(huán)受體有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）的深入研究，研究人員通過(guò)在受體前體中加入20 wt%的PTQ10聚合物供體，將器件的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）從15.11%提升至16.03%。然而，使用相同比例的PM6卻導(dǎo)致效率顯著下降，表明在考慮垂直分布時(shí)熱力學(xué)因素的重要性。通過(guò)將活性層材料更換為PBQx-TF/TBT-26和PTQ11，并使用相同的加工策略，研究人員實(shí)現(xiàn)了非共軛環(huán)受體系統(tǒng)17.21%的效率，達(dá)到了前沿水平。研究還深入理解了活性層的垂直形態(tài)，并突出了器件工程和太陽(yáng)能電池性能的吸引力。

研究結(jié)果顯示，PTQ10的加入增加了額外的電荷生成界面，并抑制了雙分子復(fù)合反應(yīng)，而PM6由于其較高的表面張力導(dǎo)致了不利的垂直相分離。光物理實(shí)驗(yàn)表明，PTQ10的加入能夠增強(qiáng)極化子的生成和空穴傳輸過(guò)程，同時(shí)抑制自由電荷載流子的復(fù)合。進(jìn)一步的形態(tài)學(xué)表征和光電特性分析揭示了PTQ10和PM6對(duì)A4T-16結(jié)晶的不同調(diào)節(jié)作用，以及它們對(duì)器件性能的影響。

總結(jié)來(lái)，這項(xiàng)研究提出了一種有效的策略來(lái)優(yōu)化非共軛環(huán)受體OSCs的性能，并展示了一種提高PCE的方法，并探討了提高功率轉(zhuǎn)換效率的方法，這為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了有益的參考。

圖 3：三種系統(tǒng)的飛秒瞬態(tài)吸收光譜（fs-TAS）二維等高線圖和代表性光譜：

(a) 對(duì)照組：顯示無(wú)任何添加劑的基線光譜。

(b) + 20% PTQ10：顯示添加20% PTQ10后的光譜，表明瞬態(tài)吸收信號(hào)的變化。

(c) + 20% PM6：展示添加20% PM6后的光譜，顯示與PTQ10相比的不同光譜特征。

(d) 極化子動(dòng)力學(xué)：

上圖：歸一化的 ΔT/T 隨時(shí)間變化，比較對(duì)照組和PTQ10系統(tǒng)，突出展示解離和復(fù)合動(dòng)力學(xué)。

下圖：激發(fā)后7納秒的光譜，聚焦于長(zhǎng)壽命極化子，藍(lán)色表示PM6系統(tǒng)。

這些圖表揭示了PTQ10和PM6對(duì)系統(tǒng)中電荷動(dòng)力學(xué)和極化子生成的影響。

論點(diǎn)與研究方式

主要論點(diǎn)是探討不同的層層（LBL）加工技術(shù)對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的影響，特

別是供體-受體的垂直分布如何影響電荷生成和光子捕獲。

層層（LBL）加工技術(shù)：研究中采用了層層加工技術(shù)來(lái)制備供體-受體的垂直分布。這種方法有助于形成部分混合且分層的供體-受體結(jié)構(gòu)，從而提高電池的效率。

材料選擇與優(yōu)化：研究者選擇了兩種商業(yè)可用的聚合物供體，PTQ10和PM6，來(lái)優(yōu)化D18/A4T-16系統(tǒng)的性能。PTQ10的引入成功形成了再混合相，對(duì)電荷生成有額外的貢獻(xiàn)，使效率從15.11%提升至16.03%。

研究方法和步驟包括：

l   材料制備與加工：使用LBL加工技術(shù)制備底層D18和上層A4T-16或摻雜PTQ10或PM6的A4T-16層。這些材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和制備過(guò)程如圖1a所示。

l   光譜分析：利用紫外-可見(jiàn)光吸收光譜（UV-Vis）分析不同LBL加工薄膜的聚集特性。結(jié)果顯示，摻雜PTQ10和PM6的薄膜在0-0振動(dòng)峰上表現(xiàn)出更好的有序聚集。

l   形態(tài)學(xué)分析：使用原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）分析活性層的形態(tài)。結(jié)果顯示，PTQ10導(dǎo)致了更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而PM6則形成了更分離的結(jié)構(gòu)。

l   表面張力測(cè)量：通過(guò)測(cè)量水和乙二醇在薄膜上的接觸角來(lái)評(píng)估材料的表面張力。結(jié)果表明，PTQ10的表面張力較低，導(dǎo)致其在A4T-16的頂部富集，形成了額外的供體-受體混合區(qū)域。

l   光電特性分析：使用飛秒瞬態(tài)吸收光譜（fs-TAS）技術(shù)研究供體-受體界面的電荷生成和重組動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明，PTQ10摻雜的樣品中單線態(tài)激子更容易解離。

制備過(guò)程：

ITO基板經(jīng)過(guò)清洗，包括使用去離子水、丙酮和異丙醇進(jìn)行超聲波清洗，并在烘箱中過(guò)夜干燥。玻璃基板在使用前經(jīng)過(guò)UV-Ozone處理30分鐘。PEDOT（一種導(dǎo)電聚合物）被旋涂在ITO基板上，旋轉(zhuǎn)速度為6500 rpm，持續(xù)30秒，然后在170°C下干燥15分鐘。D18層通過(guò)旋涂4 mg/ml的氯仿溶液沉積，而A4T-16層則溶解在XY中，濃度為15 mg/ml，并添加0.5 vol%的DIO作為添加劑。PTQ10和PM6直接溶解在A4T-16溶液中。D18和A4T-16溶液在100°C預(yù)熱后進(jìn)行旋涂。旋涂后，進(jìn)行100°C熱板上的熱退火處理5分鐘。在活性層上涂覆一層薄的PFN-Br層（在甲醇中，濃度為0.5 mg/mL），然后通過(guò)陰影掩膜蒸發(fā)沉積Ag。

a)      UV–vis Absorption Profiles：這張圖展示了D18/A4T-16控制薄膜、摻雜20% PTQ10和20% PM6的薄膜的紫外-可見(jiàn)光吸收譜。

b) J–V Characteristics：這部分展示了不同薄膜組合的電流密度-電壓（J-V）特性曲線。這些曲線是評(píng)估太陽(yáng)能電池電性能的關(guān)鍵，包括開(kāi)路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）。

c) EQE Spectra：外部量子效率（EQE）譜圖顯示了太陽(yáng)能電池將吸收的光子轉(zhuǎn)化為電流的效率。

d) Normal Distribution of PCEs：三個(gè)系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs）的正態(tài)分布，提供了設(shè)備性能一致性和變異性的統(tǒng)計(jì)視圖。

e) FTPS-EQE and f) EQE-EL Data： FTPS-EQE（傅里葉變換光電流光譜-EQE）和EQE-EL（電致發(fā)光-EQE）數(shù)據(jù)幫助理解設(shè)備中的非輻射和輻射復(fù)合損失，這些損失會(huì)影響整體效率。

f) EQE-EL（電致發(fā)光-外部量子效率）數(shù)據(jù)：通過(guò)比較EQE和EQE-EL數(shù)據(jù)，研究者可以評(píng)估設(shè)備中非輻射和輻射復(fù)合的比例。這些信息對(duì)于理解和優(yōu)化有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量損失機(jī)制至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懙皆O(shè)備的功率轉(zhuǎn)換效率

g) TPC and h) TPV Curves：瞬態(tài)光電流（TPC）和瞬態(tài)光電壓（TPV）曲線用于分析太陽(yáng)能電池中的電荷提取和復(fù)合動(dòng)力學(xué)。這些測(cè)量提供了電荷提取速度和效率以及復(fù)合對(duì)性能影響的見(jiàn)解。

h) TPV Curves：瞬態(tài)光電壓（TPV）曲線用于分析太陽(yáng)能電池中的電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué)。TPV測(cè)量提供了關(guān)于電荷載流子壽命的信息，這是決定太陽(yáng)能電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。助于評(píng)估和優(yōu)化電池的電荷提取效率和復(fù)合損失，從而提高整體性能。

i) Derived Lifetime Values：這部分展示了不同系統(tǒng)中電荷載流子壽命的計(jì)算值，這是決定太陽(yáng)能電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

總體而言，圖2提供了太陽(yáng)能電池光學(xué)和電氣特性的詳細(xì)分析，幫助理解不同材料組成對(duì)其性能的影響。

表征

研究團(tuán)隊(duì)使用光焱科技的QE-R3011太陽(yáng)光電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

特性和測(cè)量：

活性層的厚度使用Bruker Dektak XT探針式表面測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。太陽(yáng)光電池的電流密度-電壓（J-V）曲線使用Keysight B2901A源表在AM 1.5G（100 mW cm?2）條件下測(cè)量，使用Enlitech太陽(yáng)光模擬器(SS-X)。裝置的接觸面積為0.042 cm2，測(cè)試時(shí)的照明面積為0.041 cm2，由掩膜確定。外部量子效率（EQE）光譜使用Enlitech的QE-R太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)波長(zhǎng)的光強(qiáng)度使用標(biāo)準(zhǔn)單晶硅光伏電池進(jìn)行校準(zhǔn)。

Figure S1:通過(guò)UV-Vis吸收光譜測(cè)量的聚合物聚集情況的擬合分析結(jié)果。

Figure S3: PTQ10組分優(yōu)化的詳細(xì)信息，包括J-V特性和EQE光譜。

Figure S4: A4T-16薄膜的二維等高線圖和代表性的時(shí)間相關(guān)光譜，這些薄膜是用PTQ10和PM6摻雜的。

Figure S5:活性層的AFM高度圖和TEM圖像，用于分析薄膜的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

結(jié)果

這些研究方法和步驟有助于揭示不同摻雜材料對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的影響，特別是在電荷生成和光子捕獲方面的差異。

效率提升：通過(guò)在受體富集的頂層引入額外的聚合物供體（如PTQ10），成功形成了再混合相，成為額外的電荷生成貢獻(xiàn)者。這一策略使D18(CF)/A4T-16(o-XY)系統(tǒng)的效率從15.11%提升至16.03%。

垂直分布的重要性：研究強(qiáng)調(diào)了再混合策略在實(shí)現(xiàn)理想垂直分布中的重要性。這種分布有助于抑制雙分子復(fù)合，從而提高短路電流（Jsc）、開(kāi)路電壓（Voc）和填充因子（FF）。

新系統(tǒng)的高效率：通過(guò)將該策略應(yīng)用于新報(bào)道的PBQx-TF/TBT-26系統(tǒng)，并加入20%的PTQ11，實(shí)現(xiàn)了17.21%的效率，代表了非共軛環(huán)受體有機(jī)太陽(yáng)能電池的前沿水平。

碳中和的推動(dòng)：這些成就對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

這些結(jié)果展示了再混合策略在提升有機(jī)太陽(yáng)能電池效率方面的潛力，并為未來(lái)的研究和應(yīng)用提供了新的方向。

香港理工大學(xué) Prof.李剛團(tuán)隊(duì)在有機(jī)太陽(yáng)能電池效率上取得了顯著突破。他們通過(guò)供體-受體層間再混合策略，成功將非共軛受體有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率提升至17.2%。這一成果不僅展示了再混合策略在優(yōu)化電池性能方面的潛力，還為未來(lái)研究提供了新的方向。該研究的成功為推動(dòng)有機(jī)太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)更高的能源轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)參考自Advanced Functional Materials_Doi:DOI: 10.1002/adfm.202411286

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