蘇州納米所駱群等Advanced Energy Materials：順序噴墨印刷制備高性能有機(jī)光伏器件
有機(jī)太陽(yáng)能電池具有輕質(zhì)、可半透明化以及可溶液法制備的優(yōu)點(diǎn)。目前以非富勒烯小分子為電子受體的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件效率已經(jīng)取得了較大突破，但器件有效面積小，且主要通過旋涂法實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用。開發(fā)有機(jī)太陽(yáng)能電池的大面積制備技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低成本有機(jī)光伏走向應(yīng)用的必要環(huán)節(jié)。溶液法薄膜的制備技術(shù)可以分成旋涂、涂布和印刷三大類。印刷方法相比于旋涂和涂布的優(yōu)點(diǎn)包括加工速度快以及可圖案化，其中噴墨印刷是一種數(shù)字化的圖案化加工方法，由于其印刷圖案精度高以及油墨浪費(fèi)率極低，在印刷顯示，精密電路等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
噴墨印刷制備有機(jī)太陽(yáng)能電池聚合物：小分子(D：A)體異質(zhì)結(jié)薄膜的關(guān)鍵是控制薄膜的微觀形貌，包括給受體分子堆積、聚集行為以及垂直相分離。印刷慢干燥的特點(diǎn)導(dǎo)致有機(jī)分子成膜干燥過程中過度聚集，這樣的形貌不利于激子解離和電荷傳輸，從而導(dǎo)致印刷電池效率低。而目前就噴墨印刷有機(jī)光活性層薄膜微觀形貌的成型規(guī)律以及控制方法還缺少研究。
蘇州納米所馬昌期團(tuán)隊(duì)在有機(jī)太陽(yáng)能電池溶液法和大面積器件制備研究方面已有多年積累，在功能墨水開發(fā)和印刷法制備有機(jī)太陽(yáng)能電池方面取得了一系列進(jìn)展。包括功能層墨水開發(fā)(ACS Nano 2018, 12 (6), 5518-5529; J. Mater. Chem. A 2021, 9 (31), 16889-16897; Chem. Eng. J. 2021, 425, 130620)，電極和大面積器件制備(Adv. Funct. Mater. 2020, 31 (4), 2007276; J. Mater. Chem. A 2019, 7 (1), 212-220；Adv. Sci. 2019, 6 (22), 1901490.)，界面調(diào)控輔助成膜等(ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13 (15), 17869-17881.)。
近期，駱群副研究員等就噴墨印刷有機(jī)光伏活性層相分離形貌調(diào)節(jié)開展系統(tǒng)研究。首先，通過印刷點(diǎn)間距和基底溫度調(diào)節(jié)墨滴的干燥和融合，獲得表觀質(zhì)量高的薄膜。其中，提升印刷時(shí)基底溫度有效抑制了薄膜中有機(jī)分子的過度聚集，提升了激子解離效率和器件光電轉(zhuǎn)換效率，但是噴墨印刷的器件效率低于常規(guī)旋涂方法的電池。薄膜的微觀形貌特征表明，基于熱基底上噴墨印刷獲得的薄膜垂直方向呈現(xiàn)出給體和受體材料均勻分布的特點(diǎn)，而旋涂制備的薄膜給體和受體分別在陽(yáng)極和陰極界面有富集。這樣一種給受體在界面處富集的垂直相分離形貌有利于電荷在陰陽(yáng)界面處的選擇性收集，提升電池載流子收集效率。所以在抑制分子過度聚集的同時(shí)，調(diào)控薄膜的垂直相分離是形貌優(yōu)化和進(jìn)一步提升電池效率的關(guān)鍵。
圖1. 一步法噴墨印刷與旋涂法制備的有機(jī)光活性層薄膜形貌特征
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了先受體后給體的分步噴墨印刷策略，相比于一步法印刷制備的薄膜，分步噴墨印刷的薄膜表現(xiàn)出了理想的垂直相分離結(jié)構(gòu)，同時(shí)也具有較小尺度的分子聚集，使得有機(jī)光活性層具備高效的激子解離、電荷傳輸特性的同時(shí)，也具有高的載流子收集效率，進(jìn)而制備的器件性能到達(dá)了當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道的最高值。分步印刷時(shí)的溶劑作用機(jī)理以及墨滴再溶解固化過程中的組分變化規(guī)律還在進(jìn)一步研究中。
圖2. 順序噴墨印刷實(shí)現(xiàn)gradient狀的垂直相分離形貌，獲得基于噴墨印刷活性層的有機(jī)太陽(yáng)電池效率超過13%
相關(guān)工作以“Balancing the Molecular Aggregation and Vertical Phase Separation in the Polymer: Nonfullerene Blend Films Enables 13.09% Efficiency of Organic Solar Cells with Inkjet-Printed Active Layer”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials 上。本文的第一作者是中科大納米學(xué)院和中科院蘇州納米所聯(lián)培碩士生陳興澤，通訊作者是中科院蘇州納米所副研究員、中科院青促會(huì)會(huì)員駱群。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，中科院青促會(huì)，中科院CAS-CSIRO聯(lián)合項(xiàng)目以及中科院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站的支持。
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