【研究背景】
有机太阳能电池具有轻质、低成本、可弯折、高透光等优点,有望应用于便携式充电设备，光伏建筑一体化等领域，近年来由于新材料的开发以及界面工程的不断优化，有机太阳能电池（OSCs）的效率也在不断被刷新，目前有机太阳能电池最高效率已经可以达到17%。但是，这些突破性的过程是通过具有旋涂小面积的器件来实现的，大面积器件也可以通过旋涂来制备，但其功率转换效率（PCE）比小面积器件低。而且大面积器件在制造中经常存在效率损失，严重阻碍了OSCs的应用。因此，太阳能电池器件制备的工艺必须将这些实验室技术的机理和理解转化为可大面积制备的、高度可重复的涂层工艺。
可大面积印刷技术作为商业应用中的一个关键步骤，已成为有机太阳能电池领域的一个研究热点。刮刀涂布在大面积器件制备中已经被经常使用，但与传统的旋涂相比还存在着薄膜的不一致性。刮刀涂布法与旋涂成膜的工艺不同，制备的器件效率一般要低于旋涂制备的器件，已经有很多研究工作者通过改变溶剂、改变刮刀速度来提升效率。最近很多三元器件策略来调控活性层形貌以及分子结晶度等，相比二元器件效率都有很大提升。但对于系统比较不同工艺制备方法下器件性能差异需要进一步解释。
【研究亮点】
然而由于制备工艺的不同，从实验室到大规模工业化制备过程中不可避免地会出现效率损失。事实上，光伏性能的下降主要与电压损失有关，而电压损失主要受活性层材料的相分离形貌多样性和化学结构的影响。南昌大学陈义旺教授团队在PBDB-T-2F:IT-4F体系中引入富勒烯衍生物ICBA控制刮刀涂布过程中的活性层形貌。ICBA作为一种对称的富勒烯衍生物，可以调节结晶取向和分子堆积方向，抑制电荷载流子复合。这种三元策略克服了刮刀涂层过程中由于较弱的剪切作用而引起的形貌问题。利用此策略可以降低的非辐射复合损耗，最终通过刮刀涂层工艺制备了效率为13.70%的1.05cm2器件。这种方法为在大面积印刷工艺中减少电压损失提供了有效的支持。本文通讯作者为南昌大学陈义旺教授、胡婷博士和武汉大学闵杰教授。
文中：SC表示旋涂工艺，BC表示刮刀涂布工艺
图1：a）旋涂、刮刀涂布以及大面积（1.05cm2）电池器件的示意图。b）有效面积为1.05cm2的SC二元、BC二元、SC三元和BC三元器件的J-V曲线。c）ICBA作为第三组分减少能量损失的原理图。
【图文解析】
BC二元器件的平均PCE为12.33%，有效面积为1.05cm~2，低于SC二元器件的平均PCE为12.72%，如图1b所示。这种效率损失主要是由于开路电压（Voc）的降低，这与电压损失有关。与旋涂法相比，印刷方法中存在较弱的剪切作用力，明显不利于获得理想的表面形貌和相分离。为此，引入了ICBAs受体，以获得理想的活性层形貌，降低叶片涂层器件的电压损耗。基于PBDB-T-2F:IT-4F:ICBA（1:0.9:0.1）的器件表现出最佳的性能，被定义为三元（BC-三元）器件的叶片涂层。并用旋涂法（SC三元）制备了相应的三元器件。OSCs的J-V曲线如图1b所示。SC三元器件的平均PCE为12.92%，Voc为0.870 V，短路电流（Jsc）为20.25mA/cm2，填充因子（FF）为73.32%。对于BC三元器件，PCE高达13.17%，Voc接近0.871V。
图2：a，d）SC二元系、b，e）bc二元系和c，f）BC三元系薄膜的af m高度和相位图像（尺寸为2μm×2μm）和TEM图像（尺寸为100nm×100nm）。
通过AFM以及TEM测试结果表明，SC二元膜和BC三元膜具有比BC二元膜更清晰的相分离结构。由此可见，ICBA可以有效地调节叶片涂层器件活性层的形貌。SC二元和BC三元器件较低的能量损耗主要是由于相分离形态更加明显。
图3：a）SC二元、BC二元和BC三元共混膜的GIWAXS二维散射图和b）强度分布。掠入射广角X射线散射GIWAX研究了SC二元、BC二元和BC三元共混膜薄膜分子堆积及取向，所有薄膜在≈3nm-1处都显示出类似的宽峰，这是由PBDB-T-2F和IT-4F的（100）层片状堆积峰贡献的。（010）π-π标记峰的强度较大，这可能是由离心效应引起的。与BC二元薄膜中，BC三元薄膜的（010）π-π锁紧峰强度也有所增加。这主要是因为ICBA可以提高叶片涂层过程中共混物的结晶度。垂直方向上的增强表明了第三组分对分子堆积的影响，与之前的形貌特征相吻合。
图4：a）光电流密度Jph–有效电压Veff曲线；b）短路电流密度对光的依赖性；c）开路电压对光的依赖性；d）SC二元、BC二元和BC三元器件的时间分辨的荧光光谱TRPL（激发波长分别为805nm）。
从光电性能角度对器件进行Jph–Veff，光强依赖性及TRPL测试，表面BC三元器件由于激子解离、电荷转移和电荷复合效率的提高，以及SRH复合率的降低，显示出更高的光伏性能。进一步表明ICBA的引入可以有效地减少叶片涂层器件中的非辐射复合。
【结论】ICBA被用来减少刮刀涂层器件（1.05cm2）中的非辐射复合，达到13.70%的PCE。可见，不同印刷方法对异质结层的形貌演变，包括相分离的形成，有很大的影响。通过在刮刀涂布工艺中引入ICBA的第三组分，克服了由于较弱剪切作用力而产生的形貌问题，电压得到了提升。更重要的是，这种变化通过定量计算能量损失得到验证，主要是由于减少了非辐射复合损失。进一步验证了薄膜形貌的一致性，对有机光电器件从实验室扩展到工业生产具有重要意义。最后，通过电荷动力学和复合机理的表征，得出三元策略可以在印刷方法中获得较好的光电性能。本工作为提高OSCs的电压损耗和光伏性能提供了有效的技术支持。
参考文献:
An Effective Method for Recovering Nonradiative Recombination Lossin Scalable Organic Solar Cells, (Adv. Funct. Mater. 2020, 2000417, DOI:10.1002/adfm.202000417)
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202000417
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