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陈义旺、廖勋凡团队Chem. Mater.:低液晶相转变温度的液晶小分子调控活性层形貌助力有机太阳能电池性能提升
2021-01-11  来源:高分子科技

  近年来,三元策略在调控有机太阳能电池活性层形貌,改善器件性能方面显示出巨大的潜力,成为有机光伏领域研究的热点。迄今为止,已有相关文献报道液晶小分子(LCSM)作为第三组分在调控活性层形貌方面的独特优势。BTR及其衍生物是目前使用最多的LCSMs,但这类分子具有非常高的液晶相转变温度,该温度远高于活性层薄膜的热退火温度,也就是说,当前基于这类LCSMs的三元有机太阳能电池(TOSCs)的研究低于其液晶相转变温度,并且分子本身的能级、混溶性等因素,在一定程度上也可能会对薄膜形貌产生影响,因此无法准确判断LCSM自组装特性对活性层形貌的调控作用,LCSM在TOSC内部的工作机制尚未得到系统和深入的研究。此外,这些LCSMs具有相对复杂的分子结构和繁琐的合成步骤,严重限制了它们的广泛应用。



  针对上述问题,江西师范大学/南昌大学陈义旺教授、廖勋凡特聘教授团队以低液晶相转变温度(112.8℃)的液晶小分子DFBT-TT6作为第三组分,基于高效的非富勒烯体系PM6:Y6构建TOSC。为了揭示液晶分子 DFBT-TT6对TOSC性能的影响并同时消除分子结构等其他因素的干扰,进一步合成了具有低玻璃化转变温度、结构相似的非液晶分子 DFBT-DT6作为对比。有趣的是,通过添加DFBT-TT6来微调PM6:Y6共混物的结晶度和相分离,在液晶相变温度下退火,仅用3 wt%的DFBT-TT6即可调控薄膜形貌达到最佳状态。实验结果表明,DFBT-TT6可以增强PM6和Y6的结晶度,增加相分离并减小ππ堆积距离,从而在PM6:Y6:DFBT-TT6器件中实现超快的激子解离和更高的电荷收集效率。此外,DFBT-TT6与PM6和Y6都显示出较好的相容性,倾向位于PM6和Y6的界面上,这有利于电荷的转移。


  相反,非液晶分子DFBT-DT6对形貌调控和器件性能的影响可忽略不计,表明了LCSM自组装特性在形貌调控方面的独特优势。有利的形貌演变与改善的结晶度、相分离,促进了电荷的转移、激子的解离和收集,最终基于PM6:Y6:DFBT-TT6的TOSC的光电转换效率从15.76%提高到17.05%,短路电流密度高达26.56 mA / cm2这项工作不仅为LCSMs诱导活性层形貌演化提供了深刻的见解,而且提出了使用具有合适液晶相转变温度的液晶分子来进一步促进TOSCs发展的有效策略。


图1. PM6、Y6、DFB-TT6、DFBT-DT6的(a)化学结构式,(b)能级图,(c)紫外可见光吸收光谱。


图2. (a)器件光电转换效率;(b)器件效率重现性;(c)器件外量子效率;(d)光电流与有效电压的关系;(e)器件电流对光强的依赖性;(f)器件电压对光强的依赖性。


  首先,DFBT-TT6与DFBT-DT6作为第三组分对器件性能的影响被探究,可以清楚地发现,少量的DFBT-TT6有助于器件电流的提升,当DFBT-TT6含量的较大时,器件性能下降,与活性层内过度的相分离有关,3 wt%的DFBT-TT6可调控薄膜形貌达到最佳状态,获得最高的器件性能。相反,DFBT-DT6对器件性能的影响可忽略不计。


图3 广角掠入射X射线散射(a)二维图;(b)一维图。


  为了深入研究上述变化规律,对二元及三元器件表面形貌,内部聚集状态及分子链堆叠情况分别进行了原子力显微镜(AFM)和广角掠入射X射线散射(GIWAXS)的表征。可清晰地发现,适量的DFBT-TT6可以增强PM6和Y6的结晶度,增加相分离并减小ππ堆积距离。非LCSM DFBT-DT6对形貌调控的影响很小,表明了LCSM自组装特性在形貌调控方面的独特优势。


图4.(a)DFBT-TT6:PM6共混物在不同比例下的熔融峰曲线;(b)DFBT-TT6:Y6共混物在不同比例下的熔融峰曲线;(c)(d)DFBT-TT6:PM6共混物与DFBT-TT6:Y6共混物关于χ的拟合曲线;(e)基于PM6:Y6和PM6:Y6:DFBT-TT6器件的形貌演化示意图。


  研究人员进一步通过差示扫描量热仪(DSC)计算了Flory-Huggins interaction parameter (χ)来判断第三组分DFBT-TT6与给受体间的混溶性,DFBT-TT6与PM6和Y6都显示出较好的相容性。利用材料的表面能得出了DFBT-TT6的浸润系数,DFBT-TT6倾向位于PM6和Y6的界面上,这对于电荷的转移是十分有利的。超快瞬态吸收(fs-TA)的结果也显示出在基于PM6:Y6:DFBT-TT6的器件中存在更快的空穴转移。


  以上相关成果以《Regulating Favorable Morphology Evolution by a Simple Liquid-Crystalline Small Molecule Enables Organic Solar Cells with over 17% Efficiency and a Remarkable Jsc of 26.56 mA/cm2》为题,在国际权威期刊《Chemistry of Materials》上发表,论文第一作者为廖勋凡教授和硕士研究生何倩楠,通讯作者为江西师范大学/南昌大学陈义旺教授和江西师范大学廖勋凡教授,此外,特别感谢香港中文大学路新慧教授和浙江大学朱海明教授对本工作的帮助。


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c04297

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(责任编辑:xu)
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