Adv. Mater.：通过四元策略提高载流子寿命的多相形态实现高效厚膜和大面积有机光伏

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前言回顾

有机光伏（OPVs）作为一种高效清洁能源器件，具有成本低、重量轻、溶液可加工性、半透明等独特优势，在智能窗口和柔性可穿戴器件中具有巨大应用潜力。随着高效材料的开发和器件工程的探索，单结OPVs的光电能量转换效率（PCE）已经超过19%。然而，绝大多数高性能OPVs器件的活性层厚度和面积较小，分别约为100 nm和0.05 cm2。

在OPVs体系中，由于载流子迁移率低，增加活性层的厚度通常会导致严重的电荷复合。此外，通过刀片涂层或槽模涂布处理器件在溶剂蒸发期间将经历更长的相变时间，并且相分离尺寸将进一步放大，导致厚膜和大面积器件的效率显著下降，从而显著限制了OPVs的商业化。因此，通过高通量卷对卷处理，开发具有高耐膜厚度变化的高性能OPVs是非常值得研究的。Y系列非富勒烯受体（NFAs）表现出长的激子扩散长度，增加了活性层厚度公差。如果进一步提高Y系统的载流子寿命和迁移率，并且可以更精细地控制相分离尺寸，则可以实现厚膜和大面积器件。

图1. 分子结构、光谱能级、光伏性能

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文献简介

有鉴于此，近日，浙江大学陈红征教授、傅伟飞研究员；杭州师范大学占玲玲副教授、尹守春教授等人报道采用非富勒烯四元器件策略对共混物进行形态调节和载流子行为优化，制备了具有厚活性层和大面积的高性能器件。研究人员采用高效聚合物给体PM6和Y系列受体L8-BO和BTP-eC9作为四元体系的主体部分，以组内开发的具有低能量损失的不对称受体BTP-S10作为第四组分。通过简单的接触角测试和润湿系数计算，研究人员发现将BTP-eC9、L8-BO与PM6以1:1的比例混合时，BTP-eC9和L8-BO处于界面位置，从而实现PM6:BTP-eC9:L8-BO共混物中的类平行相。此外，BTP-eC9和BTP-S10可以形成合金状相，并且提高四元共混物中PM6的相纯度。

图2. 器件形貌表征

研究人员通过优化获得了具有多相分布的四元体系。该四元器件表现出更合适的相分离尺寸、有效的激子解离、改进的空穴迁移率、增强的载流子寿命和减少的电荷复合，这些特征有助于实现厚膜和大面积器件。最终，四元器件（0.0473 cm2，110 nm）可以实现19.32%的高效率（认证效率为19.35%）。而1.05 cm2和72.25 cm2大面积器件（110 nm）可以实现18.2%和12.2%的优异PCE。更重要的是，具有305 nm厚活性层的器件（0.0473 cm2）可以实现17.55%的高PCE，是迄今为止报道的大面积器件和厚膜器件的最高值之一。这些成果说明了载流子行为和混合相尺寸对于制造大面积和厚膜器件的重要性。

图3. 厚膜大面积器件的光伏性能

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文献总结

综上，该工作展示了四元策略在大面积和厚膜OPVs中的潜力，并促进了OPVs在未来的实际应用。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Multi-Phase Morphology with Enhanced Carrier Lifetime via Quaternary Strategy Enables High-Efficiency Thick-Film and Large-Area Organic Photovoltaics”。

本文关键词：有机光伏电池，多相形貌，大面积器件，载流子迁移，四元有机光伏。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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