不到一周！陈义旺团队连发AM、Angew：高效有机光伏研究取得系列进展

01

AM：用于可印刷太阳能窗的具有优化光利用率的伪平面异质结有机光伏

现有的活性层构造对于在太阳能窗中使用半透明有机太阳能电池（ST-OSCs）是有缺陷的。近日，南昌大学陈义旺教授、胡笑添研究员与中南大学张霖教授等人通过引入伪平面异质结 (PPHJ) 结构成功地打印了可扩展的太阳能窗。PPHJ结构可以有效提高平均可见光透射率（AVT），同时由于降低了光损耗，提高了半透明器件的功率转换效率（PCE）。此外，封装窗口中嵌入的超疏水图案化软插入层（PSIL）提高了防水性能，同时不损失透明度。因此，基于Y6系统的半透明装置的最大效率为14.62%，具有相当大的20.42%的AVT。得到的太阳能窗达到13.34%的稳定效率，具有出色的防水性能。此外，在室温下模拟降雨条件下放置1200 h后，单边破碎的太阳能窗的PCE保留了初始效率的70.6%。该工作以题为“Pseudo-Planar Heterojunction Organic Photovoltaics with Optimized Light Utilization for Printable Solar Windows”发表在《AM》上。

【文章要点】

一、不同器件结构的性能比较

在这项工作中，作者引入了PPHJ结构来提高ST-OSC在可扩展打印过程中的性能（图1a）。活性层的构象结构设计是提高半透明器件PCE的同时提高AVT值的有效方法。基于BHJ和PPHJ结构的半透明器件示意图如图1b、1c所示，发现基于PPHJ结构的ST-OSC的光损耗小于基于BHJ结构的ST-OSC。虽然为了增强PCE而加入第三成分可能会导致比二元薄膜更多的光散射，但采用PPHJ结构可以减轻光损耗。在三元薄膜中，基于PPHJ结构的D/A界面较少和优化的活性层形貌降低了光的散射和寄生吸收，有助于提高光利用率。因此，基于PM6/ICBA:Y6的半透明器件PPHJ结构的最大效率为14.62%，伴随着相当大的20.42%的AVT。更重要的是，通过比较基于BHJ和PPHJ结构的ST-OSCs在所有选定系统中的性能，证明了PPHJ结构在ST-OSCs制备中的普遍性。

图1. 器件的结构与组分

二、器件的防水性能研究

图2. 光伏器件的性能研究

除了高光伏性能外，长期防水性能也是太阳能窗实际应用的主要因素。为了进一步探索其性能，制造了具有封装的大面积ST-OSC。如图2a所示，基于PPHJ结构的大面积（1.00 cm2）封装PM6/ICBA:Y6三元ST-OSC的PCE为13.34%。图2d总结了过去两年发表的部分代表性文章中ST-OSC的性能。这说明ST-OSCs在这项工作中取得的性能是宝贵的。为了将ST-OSCs转换为可扩展的太阳能窗，ST-OSCs与高光利用效率和合适的封装策略的结合对于实现实际应用至关重要。在太阳能窗的实现方面，作者在双层玻璃封装中加入了超疏水图案化软插入层（PSIL），可以避免AVT损失并提供长期防水性能。然后，基于PM6/ICBA:Y6的太阳能窗实现了13.34%的稳定效率和出色的防水性能。并通过将单边碎玻璃封装的半透明器件直接浸入去离子水中来研究防水性能。由于PSIL的超疏水性和封装性，单侧破碎的太阳能窗在室温下模拟降雨条件下放置1200小时后，其PCE仍保持70.6%的初始效率。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202201604

02

Angew：铁电聚合物推动非富勒烯有机太阳能电池的性能提升

增强内建电场以促进电荷动态过程对于提高非富勒烯OSC的性能具有重要意义，而这一点很少受到关注。近日，南昌大学谌烈教授、陈义旺教授领导的课题组在非富勒烯OSC的活性层中引入了一种廉价的铁电聚合物作为添加剂，以提高器件性能。铁电偶极子的极化产生了额外的永久电场，这可以显著增强内置电场。 在器件中观察到促进的激子分离，显著加速电荷传输，减少电荷复合以及优化的薄膜形态，从而显著提高具有各种活性层（如 PM6:Y6、PM6:BTP-eC9、PM6:IT4F和PTB7-Th:Y6）的PVDF改性OSC的性能。特别是，基于PM6:Y6的OSC实现了创纪录的17.72%的效率，而基于PM6: BTP-eC9的OSC实现了18.17%的出色效率。该工作以题为“Ferroelectric Polymer Drives Performance Enhancement of Non-fullerene Organic Solar Cells”发表在《Angew》上。

【文章要点】

一、PVDF作为添加剂的作用

在这项工作中，作者将铁电聚合物聚偏二氟乙烯（PVDF）作为添加剂引入基于NFA的OSC的活性层中，以增强内置电场（图1a）。PVDF是一种廉价且经典的铁电聚合物，它具有柔韧性，并具有铁电性、压电性和其他弯曲介电特性。作者发现聚合物主链中由交替的C-F和C-H键形成的强铁电偶极矩可以产生额外的基于NFA的OSC中的永久电场，其通过外部偏置电压的极化方向和时间明显微调。这种额外的和永久的电场可以显著增强器件中的内置电场并有效地优化充电动态过程，例如显著加速电荷扩散和传输，促进空穴和电子分离，并显著抑制激子和电荷的复合（图1b）。因此，PVDF辅助的OSC中的非辐射复合减少了。此外，在F…F或F…H相互作用的帮助下，掺杂PVDF的多氟结构还可以诱导具有增强的正面取向的活性层的更有利的形态。

图1. 分子结构及光伏中能量转移过程

二、器件的性能研究

图2. 光伏器件的性能研究

为了揭示PVDF如何影响非富勒烯OSC的性能，在光伏器件的活性层中使用PVDF作为添加剂，器件结构如图2a所示。首先，没有PVDF添加剂的器件的光伏性能被评估为16.01%，这与大多数报道的PCE值一致。随着PVDF的添加，VOC、JSC、FF和由此产生的PCE都不同程度地增加。特别是当添加5%浓度的PVDF时，VOC从0.851提高到0.861 V，JSC从25.51提高到26.33 mA cm-2，FF从73.78提高到76.10%，PCE高达17.27%。与对照装置相比，添加1%和10% PVDF 的OSC的PCE也有所提高，表明铁电聚合物PVDF对电池性能具有积极影响。在PVDF改性OSC上施加具有正脉冲电压的外部电场进一步提高了器件效率，如图2b和2d所示。获得了17.72%的高PCE。VOC、JSC和FF分别增加到0.862 V、26.81 mA cm-2和76.66%。这是PM6:Y6二元体系的最高报告值（图2e）。有趣的是，由于活性材料部分被PVDF取代，随着PVDF的添加，光吸收强度有所降低，但JSC值却出乎意料地提高了。因此，增强的光电流应该源于PVDF的铁电特性，而不是光的利用。改进的JSC可以在器件的外部量子效率(EQE)上得到证明。在图2c中，添加PVDF的器件的EQE值显著高于未添加PVDF的器件。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202202177

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来源：高分子科学前沿

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