英文原题：Semitransparent Organic Solar Cells Enabled by a Sequentially Deposited Bilayer Structure
通讯作者：张凯，黄飞，华南理工大学
作者：Yu Song, Kai Zhang,* Sheng Dong, Ruoxi Xia, Fei Huang, Yong Cao
半透明有机太阳电池由于其在建筑一体化光伏领域具有巨大的应用前景，受到了科学界和工业界的广泛关注。近年来，窄带隙非富勒烯受体的快速发展促进了半透明有机光伏器件效率的不断提高，但如何同时实现尽可能高的能量转换效率（PCE）和平均可见光透过率（AVT）仍是一个巨大的挑战。理想的半透明电池器件应尽可能多地吸收紫外和红外光，从而在不影响器件光电转化能力的同时提高可见光透过率。近年来报道的半透明有机太阳电池，大多是基于本体异质结（BHJ）的结构。因此其器件性能很大程度上取决于活性层的共混形貌，然而活性层的形貌调控是个复杂的过程，通常需要优化给/受体比例、溶剂、添加剂以及其他加工工艺来调控活性层中的相分离尺度和垂直分布。另一方面，由于给、受体材料已经按照一定比例均匀共混，通过简单地增加BHJ活性层厚度来提升光电转化效率的同时，将不可避免地增强给体材料在可见光区域的吸收，导致难以同时实现高的PCE和AVT。
近日，华南理工大学黄飞教授（点击查看介绍）团队通过逐步沉积的方法，使用非卤素溶剂（邻二甲苯，邻二甲苯/正丁醇）分别加工给体和受体层，制备了不透明和半透明光伏器件。研究人员采用正装器件结构ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th/IEICO-4F/PNDIT-F3N-Br/100 nm Ag (1 nm Au/12 nm Ag)，对其光伏性能进行优化。在纯受体溶液中加入1-氯萘添加剂之后，不透明器件的短路电流从23.9 mA/cm2 提升至25.4 mA/cm2，器件效率从10%提高至12%。作者进一步通过光生电流-有效电压和光强依赖性测试发现，添加剂的引入有效地增强了电荷的产生并减少了器件内部的电荷复合（图1和图2）。
图1. 所用材料分子式（a）和吸收光谱（b）。
图2. 器件结构示意图（a），加添加剂与未加添加剂的不透明电池器件的J-V曲线（b），EQE谱图（c），Jph-Veff（d），Voc-光强（e）和Jsc-光强（f）曲线。
由于给体和受体层是分步进行溶液加工的，对于近红外吸收的受体材料而言，增加受体层的厚度理论上对双层薄膜可见光区的透射光谱影响很小。为了探究双层厚度对薄膜吸收光谱的影响，研究人员测试了两个典型的双层薄膜（给体40 nm/受体60 nm, 给体 60 nm/受体40 nm）的吸收光谱。如图3（a）所示，具有更厚受体层的双层薄膜（40 nm/60 nm）表现出近红外波段增强的光子捕获和可见区波段减弱的吸收强度，这说明具有较厚受体层的双层薄膜符合制备半透明有机太阳电池的性能需求。随后，研究人员探究了受体层厚度对双层半透明器件效率和透射谱图的影响。结果发现，随着双层器件厚度从60 nm/50 nm增加至60 nm/70 nm，双层半透明电池的效率从7.9%提高至8.4%，实现了0.5%的PCE提升和很小的AVT损失（2.8%）。如图3（b）、（c）所示，增加IEICO-4F受体层的厚度可以增强器件在近红外波段的EQE响应，同时不显著影响器件在可见区的透射光谱。为了更好地进行比较，研究人员也同时制备了利用氯苯溶剂加工的常规BHJ电池器件，并对其器件性能进行了探究。对于BHJ半透明器件，随着共混薄膜厚度从95 nm增大到140 nm，器件效率从7.6%提高至8.3%，尽管PCE获得了0.7%的提升，但同时也伴随了较大的AVT损失（16.2%）。如图3（e）、（f）所示，增加活性层厚度虽然会使EQE光谱有整体的提升，但是其在400-1000 nm的透射率有整体的下降。相比双层半透明器件，BHJ半透明器件的PCE和AVT存在明显的矛盾。因此对于平衡半透明器件的PCE和AVT来说，逐步沉积的双层结构是一种有效的策略。最终，相比BHJ半透明器件（PCE=8.1%, AVT=21.1%），双层半透明器件（PCE=8.5%, AVT=21.5%）表现出更优的整体器件性能（图4）。
图3. 具有相同厚度的PTB7-Th/IEICO-4F双层薄膜吸收光谱（a），不同受体层厚度的双层半透明器件透射光谱（b）及EQE谱图（c），不同活性层厚度的BHJ半透明器件透射光谱（d）和EQE谱图（e）。
图4. 半透明器件结构示意图（左上），双层半透明器件与参比背景的照片（右上），双层半透明器件和BHJ半透明器件的透射光谱及J-V曲线（下方）。
上述结果表明逐步沉积的双层结构，除了易于加工的特点（无须优化给受体比例），对制备高性能半透明有机太阳电池及将来实际应用具有借鉴意义。该研究近期发表于ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。第一作者为博士研究生宋煜，通讯作者为张凯博士和黄飞教授，该工作得到了国家重点研发计划和广东省杰出青年科学基金的资助。
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Semitransparent Organic Solar Cells Enabled by a Sequentially Deposited Bilayer Structure
Yu Song, Kai Zhang*, Sheng Dong, Ruoxi Xia, Fei Huang*, Yong Cao
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 18473-18481, DOI: 10.1021/acsami.0c00396
Publication Date: March 27, 2020
Copyright © 2020 American Chemical Society
导师介绍
黄飞
https://www.x-mol.com/university/faculty/75955
（本稿件来自ACS Publications）
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