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Matter：北航孙艳明团队开发固体添加剂制备环境友好型全聚合物太阳能电池

2022-09-02 13:37

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

2022年8月24日，北京航空航天大学化学学院孙艳明团队及合作者在Cell Press细胞出版社期刊Matter上发表题为“Solid additive engineering enables high-efficiency and eco-friendly all-polymer solar cells”的研究成果。研究团队发展了一种绿色、可挥发的固体添加剂，2-甲氧基萘（2-MN），并成功应用于全聚合物太阳能电池中。北京航空航天大学化学学院博士生宋佳利为论文第一作者，孙艳明教授为通讯作者。

全聚合物太阳能电池（all-PSCs）的活性层由聚合物给体和聚合物受体组成，由于具有优异的光热稳定性、机械稳定性以及拉伸性，all-PSCs的商业应用前景更优。然而，目前all-PSCs的效率较低，其中最主要的原因是其活性层形貌难以调控。由于聚合物分子的尺寸较大，在成膜过程中，聚合物给体和聚合物受体扩散较慢，容易导致较大尺度的相分离。

采用液体添加剂来优化活性层形貌是目前全聚合物电池最常用的策略之一，然而液体添加剂如1-8-二碘辛烷（DIO）和1-氯萘（1-CN）普遍具有较高的沸点，在薄膜加工中很难被去除，残留的添加剂对器件稳定性不利。此外，这类添加剂通常毒性较大，不利于环境和人类健康。相比较于液体添加剂，固体添加剂最近几年引起了科研工作者的广泛关注。高挥发性固体添加剂在小分子受体型有机太阳能电池中得到了广泛的应用。相关研究表明固体添加剂可以优化活性层形貌，提升器件效率和稳定性。但是，在all-PSCs中，目前还没有利用固体添加剂调控形貌的成功范例。因此，发展绿色、可挥发型固体添加剂并应用于all-PSCs中将是满足有机太阳能电池工业化生产的重要策略。

图1. 分子结构和光伏器件性能

在这项工作中，孙艳明教授团队发展了一种绿色、可挥发的固体添加剂，2-甲氧基萘（2-MN），并成功应用于all-PSCs中。以PM6:PY-DT薄膜为活性层，基于2-MN的all-PSCs可以实现17.32%的光电转换效率（中国计量科学院认证效率为16.9%）（图1），优于未采用任何添加剂的all-PSCs（14.47%）以及以1-CN为添加剂的all-PSCs（16.61%）。此外，相比于基于1-CN的all-PSCs，以2-MN为添加剂的all-PSCs表现出更好的光热稳定性。

图2. 活性层形貌

该工作利用原子力显微镜（AFM）进行活性层形貌表征（图2）；通过软X射线散射（RSoXS）对活性层薄膜的相分离尺度进行量化；采用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）表征了分子的取向和结晶性。实验结果表明，经由2-MN处理的活性层薄膜能够实现多尺度相分离的形貌，可以为载流子提供更多的传输通道。此外，相较于未采用添加剂以及CN为添加剂的活性层薄膜，2-MN活性层薄膜表现出更为有序的分子堆积。

图3. 光学显微镜图和傅立叶变换红外光谱

光学显微镜和傅立叶变换红外光谱（FT-IR）证明经过退火处理后，活性层薄膜中的2-MN完全被去除（图3）。

图4. 原位吸收光谱和机理图

该工作采用原位吸收光谱（in situ UV-vis）来研究在退火过程中薄膜的动力学过程（图4）。首先，对于未采用任何添加剂的PM6:PY-DT薄膜表现出612和798 nm两个特征峰，分别来自于PM6和PY-DT。在退火过程中，这两个吸收峰的强度和位置并没有发生任何改变，证明退火对于未采用任何添加剂的PM6:PY-DT薄膜的分子聚集和堆积几乎没有起到任何影响。而对于2-MN处理的PM6:PY-DT薄膜，PM6和PY-DT的吸收峰分别位于623和790 nm，这一结果表明在薄膜沉积过程中，2-MN可以诱导PM6聚集，同时抑制PY-DT聚集；在热退火过程中，PM6吸收峰位置保持不变，但在24至31秒热退火期间，PY-DT吸收峰发生明显的红移（790至802 nm），这主要归因于2-MN的连续挥发为PY-DT留下了更多的聚集空间，从而导致其吸收峰发生红移。同时，在0-100s的退火期间，薄膜中PM6和PY-DT吸收峰的强度也发生了规律性变化。根据这些结果，作者提出了2-MN的工作机制：2-MN可以有效地控制PM6和PY-DT在不同成膜阶段的聚集行为，在薄膜沉积过程中，2-MN可以诱导PM6的聚集并提高分子的有序性，形成优异的纤维框架结构，同时抑制PY-DT聚集，在此阶段，PM6的结晶过程起主导作用；在热退火过程中，2-MN逐渐从共混膜中去除从而留下更多空间，此时，PY-DT开始聚集并形成更有序的分子堆积，最终形成良好的纤维网络形貌。对于CN处理的共混膜，退火之前PM6和PY-DT的吸收峰分别位于618和801 nm，然而在退火过程中并未发现吸收峰位置的改变，这证明2-MN和CN具有不同的工作机理。