Forscher der Shenzhen Technology University und kooperierender Institutionen unter der Leitung von Professor Guangye Zhang haben einen wichtigen Meilenstein in der Technologie organischer Solarzellen (OSC) erreicht. Ihre neueste, in Nano-Micro Letters veröffentlichte Arbeit stellt eine neuartige additive Fertigungsstrategie vor, die einen Wirkungsgrad von 20,0 % bei binären OSCs ermöglicht, die vollständig mit halogenfreien Lösungsmitteln hergestellt werden . Dieser Fortschritt setzt nicht nur einen neuen Maßstab für mit Toluol hergestellte OSCs, sondern bietet auch einen skalierbaren und umweltfreundlichen Ansatz, der den Anforderungen der Industrialisierung gerecht wird.
Warum diese Innovation wichtig ist
- Zertifizierte Effizienz von 20 % mit Toluol : In PM6/BTP-eC9-OSCs wird ein bemerkenswerter PCE von 20,0 % (zertifiziert mit 19,7 %) erreicht, womit viele mit Halogenlösungsmittel verarbeitete Geräte übertroffen werden.
- Umweltfreundliche und skalierbare Herstellung : Im gesamten Prozess wird Toluol verwendet – ein halogenfreies, hochsiedendes Lösungsmittel – und giftige Lösungsmittel wie Chloroform werden vermieden, die für die Herstellung im großen Maßstab ungeeignet sind.
- Universelle additive Strategie : Die Strategie ist in mehreren Systemen wirksam, darunter PM6/PYF-T- o , PM6/L8-BO und PM6/PJ1- ? , und bietet eine breite Anwendbarkeit.
Schlüsselinnovation: Additivgesteuerte Sekundärkeimbildungskontrolle
Um die Morphologiekontrolle in sequentiell verarbeiteten OSCs (SqP) zu verbessern, führte das Team zwei isomere Additive , ODBC und PDBC, entweder in die Donor- oder Akzeptorschicht ein. Diese Additive regulieren das Quell- und Aggregationsverhalten der aktiven Materialien durch nichtkovalente Wechselwirkungen und ermöglichen so eine präzise Modulation der Filmmorphologie.
- Dipolgesteuerte Steuerung : ODBC mit einem höheren Dipolmoment fördert eine frühere Keimbildung und eine engere ?-?-Stapelung , was zu verbesserter Kristallinität und Exzitonendissoziation führt.
- Die Platzierung der Additive ist wichtig : Das Hinzufügen des Additivs in die Akzeptorschicht statt in die Donorschicht führt zu deutlich besseren Morphologie- und Ladungstransporteigenschaften.
- Optimierung der Trocknungskinetik : Die hohen Siedepunkte von ODBC/PDBC erweitern das Trocknungsfenster und fördern eine homogene Phasentrennung und vertikale Phasensegregation.
Beispiellose Geräteleistung
- PM6/PYF-T- o -Geräte: Erreichten einen Spitzen-PCE von 17,38 % , übertrafen damit Chloroform-gegossene Mischgeräte (16,81 %) und stellten die höchste Effizienz für dieses binäre System dar.
- PM6/BTP-eC9 -Geräte: Mit ODBC und 2PACZ als Lochtransportschicht wird ein zertifizierter PCE von 19,7 % erreicht – der höchste jemals für nicht halogenierte, lösungsmittelverarbeitete binäre OSCs .
- Verbesserte Ladedynamik :
- Hoher Kurzschlussstrom (J SC ) bis zu 26,2 mA cm -2 .
- Ausgeglichene und erhöhte Trägermobilitäten (? e ? ? h ? 7,7 × 10? 4 cm 2 V -1 s -1 ).
- Reduzierte bimolekulare Rekombination und verbesserte Ladungsextraktion, validiert durch Photo-CELIV- und transiente Photospannungsmessungen.
Mechanistische Erkenntnisse und Morphologiekontrolle
- In-situ-Absorption und AFM : Längere Trocknungszeiten und geringere RMS-Rauheit bestätigen feinere Mikrostrukturen.
- GIWAXS-Analyse : Verbesserte ?–?-Stapelung (d-Abstand ~3,67 Å, ??CCL ~11,14 Å) unterstützt besseren Ladungstransport.
- Vertikale Zusammensetzungsprofilierung : FDDLAS- und FLAS-Analysen zeigen eine gleichmäßigere Donor-/Akzeptorverteilung und fördern so eine effiziente Exzitonendissoziation und Ladungssammlung.
- Ultraschnelle Spektroskopie : Transiente Absorptionsexperimente weisen auf einen verbesserten Lochtransfer und eine stärkere Ladungserzeugung an der Grenzfläche in mit ODBC behandelten Geräten hin.
Robuste Stabilität und breite Anwendbarkeit
- Stabilität : Geräte mit ODBC weisen eine überlegene Licht- und Wärmestabilität auf und behalten kontinuierlicher Beleuchtung über 88 % des PCE .
- Universalität : Die additive Strategie wurde auf verschiedene binäre OSC-Systeme ausgeweitet, wodurch die Leistung kontinuierlich verbessert wurde:
- PM6/L8-BO: Erhöht von 16,95 % auf 18,16 % .
- PM6/PJ1- ? : Anstieg von 14,36 % auf 17,41 % .
Zukunftsaussichten
Diese Studie zeigt einen praktikablen, skalierbaren Ansatz für hocheffiziente, halogenfreie OSCs auf , indem sie die additive Kontrolle der sekundären Nukleation im SqP-Framework nutzt. Der Einsatz isomerer Additive wie ODBC bietet eine leistungsstarke Möglichkeit zur Morphologieoptimierung und ermöglicht verbesserte Kristallinität, Ladungstransport und Langzeitstabilität. Dank der Kompatibilität mit verschiedenen Systemen und Verarbeitungsbedingungen ist diese Strategie vielversprechend für die industrielle und umweltfreundliche Produktion organischer Photovoltaik.
DOI
Binäre organische Solarzellen die mit halogenfreien Lösungsmitteln verarbeitet werden weisen einen Spitzenwirkungsgrad von 200 auf zertifiziert 197
Es werden Mechanismen der Filmbildungsprozesse und der sequentiellen Verarbeitungsgemeinschaft zu Regeln für das Lösungsmitteldesign vorgeschlagen
Kredit
Yufei Wang Chuanlin Gao Wen Lei Tao Yang Zezhou Liang Kangbo Sun Chaoyue Zhao Lu Chen Liangxiang Zhu Haoxuan Zeng Xiaokang Sun Bin He Hanlin Hu Zeguo Tang Mingxia Qiu Shunpu Li Peigang Han Guangye Zhang
