江西师范大学陈义旺、廖勋凡《Adv. Funct. Mater》：全绿色溶剂处理的高效平面异质结有机太阳能电池

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江西师范大学陈义旺教授、廖勋凡教授团队报导了一种有效的器件制备策略，通过调节材料的溶解度和结晶性，使用绿色正交溶剂实现了高效平面异质结器件的成功制备，该结构可以最大程度地减少材料相容性以及制备过程对底层冲刷的影响，具有清晰的D/A接触界面，并且两层的独立处理可提供最佳的自聚集形态，更有效的电荷传输通道以及良好的给受体包装状态，为平面异质结器件的深入研究指出了方向。

有机太阳电池技术是一种具有巨大研究前景的绿色科技手段，可以有效地将光能转换为电能。由于它具有重量轻，制造成本低，可柔性制备，可印制为彩色模块，半透明，可大面积制备等优点，在科学界引起了广泛的关注。其中，器件工程是提高有机太阳能电池光伏性能的一条有效途径。当前广泛应用的本体异质结（BHJ）结构器件存在着相形貌不稳定，材料溶解性限制等问题，近年来新兴的准平面异质结（PPHJ）结构的器件同样被溶剂冲刷损耗以及难以满足大面积印刷技术的要求等问题所困扰。然而，这些问题可以通过传统的平面异质结（PHJ）结构的合理应用所解决。在实验室制备的过程中，由于正交溶剂之间的不相溶性，下层活性层的牢固性更好，在顺序旋涂时难以被冲刷，能很好的避免材料损失，此外，在大面积制备有机太阳能电池（OSC）的过程中，卷对卷印刷和喷墨印刷之间的应力方向差异可能会影响聚合物链段的分子堆积方向和相分离，这些负面影响也可以通过采用正交溶剂的方法得到缓解，因此PHJ结构也更适合大规模工业生产。因此，本文选择了PM6:BO-4F体系为研究对象，通过将顺序旋涂策略和正交溶剂策略相结合来制备PHJ有机太阳能电池。针对PM6在常用的高沸点溶剂当中具备较好的溶解性，BO-4F在绿色溶剂THF中具备很好的溶解性的特点，首先采用了CB和THF这组正交溶剂制备双层器件，成功制备出了PCE高达15.6%的PHJ器件。在此基础上，进一步采用绿色非卤试剂O-XY处理PM6，由于O-XY与THF之间较大的极性差异，二者依然能够形成正交溶剂，结果成功制备出了全绿色溶剂处理的高效PHJ器件，PCE达到了16%，为当前PHJ结构的最高效率。研究结果证明了PHJ结构的巨大研究潜力，为解决OSC材料相容性，长期稳定性问题以及未来商业化的应用指明了新的研究方向。

图1. （a）平面异质结二元器件的示意图，（b）PM6，BO-4F的能级图以及给受体化学结构，（c）CF，CB和O-XY处理的PM6以及CF和THF处理的BO-4F薄膜的归一化电子吸收光谱，（d）BHJ，基于CB处理的PHJ与基于O-XY处理的PHJ薄膜的吸光系数。

图2. （a）BHJ，基于CB处理的PHJ与基于O-XY处理的PHJ活性层器件在100 mW/cm² 条件下性能最优OSC的J-V曲线和（b）EQE光谱图。（c）PM6薄膜和相应的不同结构的薄膜在560 nm激发的PL信号。(d)J_sc对不同光强度（P_light）的依赖性（e）V_oc对P_light的依赖性以及（f）相应器件的J_ph-V_eff曲线图。

图3. （a-c）BHJ, PHJ (CB)和PHJ (O-XY)混合膜的TOF-SIMS深度图。

综上，该工作选择了宽带隙给体PM6和窄带隙非富勒烯受体BO-4F的高效材料体系配合高效的电子传输层来制备PHJ有机太阳能电池。针对PM6在非卤试剂O-XY具备较好的溶解性，BO-4F在绿色溶剂THF中具备很好的溶解性的特点，且O-XY与THF之间较大的极性差异，二者能够形成正交溶剂，成功制备出了全绿色溶剂处理的高效PHJ器件，为之后PHJ器件的深入研究工作点燃了希望。

相关成果以《All-Green Solvent-Processed Planar Heterojunction Organic Solar Cells with Outstanding Power Conversion Efficiency of 16%》为题在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上发表。本文通讯作者为江西师范大学陈义旺教授和廖勋凡教授，第一作者为硕士生万继，共同第一作者为硕士生曾丽。此外，感谢浙江大学朱海明教授、博士生陈增对本工作的帮助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202107567

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