Concise Report
A Two-in-One Annealing Enables Dopant Free Block Copolymer Based Organic Solar Cells with over 16% Efficiency
Shangfei Yao#, Linji Yang#, Shasha Shi#, Yang Zhou, Min Long, Wenhao Zhang, Songlin Cai, Ciyuan Huang, Tao Liu*, Bingsuo Zou*
The organic solar cells (OSCs) based on block copolymer systems bear the hope of achieving the optimal balance of power conversion efficiency (PCE) and stability, but the key index, PCE of this type devices is still low. To improve the efficiency, regulating the thin-film morphology is always the core engineering, which is usually enables via two aspects: precursor optimization and post treatments. Herein we extend our previous success in post treatments (two step annealing) to a novel two-in-one annealing tactic, which realizes limited phase separation and well-connected domain distribution. As a result, the optimal PCE as high as 16.08%, representing the cutting-edge level of block copolymer based OSCs (notably dopant free). Furthermore, a comprehensive study on all kinds of annealing methods is carried out, including TA, SVA, SVA+TA, TA+SVA and SVTA (the best one), and an in-depth understanding is demonstrated, with the help of different characterizations.
Block copolymer system | Morphology | Post treatment | Organic solar cells | Efficiency
基于全聚合物光敏活性层的有机太阳能电池，是目前最有可能实现同时达到高效率，高稳定性和优越薄膜机械性能的一类光伏技术。针对提高该类光伏器件性能，广西大学刘焘团队与其合作者，在前期完成了一系列材料合成与器件物理的工作：Adv. Mater.,2020, 32 (48), 2005942，Joule,2021, 5 (4), 914-930，Matter,2022, 5 (2), 725-734。实现了一系列电池性能突破，和机理挖掘。
然而，基于给受体材料共混的薄膜体系，其自身形貌稳定性仍然与单组分薄膜有巨大差异。因此，采用嵌段共混聚合策略，将成熟的给体材料PM6，受体材料PY-IT交替聚合，成为了一种可能的选择。以此为出发点，团队展开了新的系列工作，包括材料合成J Mater Chem C,2022, 10 (26), 9723-9729，与器件优化研究Solar RRL,2022, 6 (10), 2200617。
虽然合成的嵌段共聚物PM6-b-PY-IT拥有更好的稳定性，但其初始效率较给受体共混体系仍有巨大差距，为更进一步，提高该体系的光电转化效率，一种更为有效的薄膜处理方法成为急需寻找到的解决方法。
最近，刘焘和邹炳锁报道了对活性层同时使用氯仿（CF）熏蒸和热退火的二合一方法。这种溶剂蒸汽热退火(SVTA) 方法为基于PM6-b-PY-IT 的嵌段共聚物型OSC 器件带来了超过16% 的效率。综合研究了SVA、TA、SVA+TA、TA+SVA和SVTA等优化步骤，薄膜形貌和器件物理特性变化与光伏性能密切相关。减少的相分离与促进的光利用是一致的，SVTA处理的薄膜中纳米纤维网络的形成解释了填充因子(FF) 的最佳值。这项工作不仅为有或没有掺杂剂的嵌段共聚物基OSCs 提供了领先的PCE，而且还对活性层以不同方式处理的器件之间的结构-性能关系进行了全面的比较和理解。
上述研究结果作为 Concise R eport发表于Chin. J. Chem.2023, 41, 672-678. DOI: 10.1002/cjoc.202200645。该项工作得到了广西八桂学者项目、广西自然科学基金、广西科技基地和人才专项、广西大学高层次人才引进项目的资助。
认识本文的作者们
Left to Right: Upper row: Shangfei Yao, Linji Yang, Shasha Shi, Yang Zhou, Min Long
Lower row: Wenhao Zhang, Songlin Cai, Ciyuan Huang, Tao Liu*, Bingsuo Zou*
刘焘教授简介
刘焘：2017年毕业于北京航空航天大学，2017年10月-2022年1月在香港科技大学进行博士后研究工作，2022年5月以高层次人才-教授博导加入广西大学，主要从事光电功能材料与器件，有机/钙钛矿太阳能，光敏剂治疗癌细胞,光催化处理废水中的有机物和金属离子等方面应用研究，在Nat. Energy，Adv. Mater.，Joule，Energy Environ. Sci.等顶刊杂志共发表或录用SCI论文110余篇（IF＞2000），其中18篇论文入选ESI热点论文和40余篇入选ESI高被引论文。连续三年（2020，2021和2022）获得科睿唯安高被引学者，2020 年英国皇家化学学会期刊中被引用次数最多的前 1 % 作者等荣誉， 相关成果获“中国百篇最具影响国际学术论文”“第六届中国科协优秀科技论文”“《中国科学：化学》中英文刊优秀论文”“Cell Press 2020年中国科学家最佳论文奖”（物质科学共10篇，排第一）等，被诸多媒体报道。担任Joule，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，Nano-Micro Lett.，Sci. China Chem. 等诸多知名学术期刊的审稿人，还获聘担任中国科学院深圳理工大学业界导师和Molecules杂志的客座编辑。
邹炳锁教授简介
邹炳锁：现为广西大学资源环境与材料学院教授。2018年受聘广西大学君武学者，2019年获广西壮族自治区第五批八桂学者称号，同时担任广西有色金属及特色材料加工省部共建国家重点实验室培育基地主任，2020年至今担任广西大学资源环境与材料学院院长。在纳米光子材料与器件，纳米光子学器件设计与理论模拟、纳米材料物理与纳米化学、磁性半导体与自旋光子学、 半导体微纳结构激子动态学与量子调控、非线性光学、量子点制备与LED、光电探测器、太阳能电池、半导体微纳激光器、微纳加工与器件、半导体微纳纳米超快光谱与探测技术等领域开展系统深入的研究工作。已经发表SCI论文500余篇，其中第一作者或通讯作者论文200多篇，包括Nano Lett., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Small, ACS Nano., ACS Appl. Mater. Inter., Phys. Rev.B等期刊，引用次数超15000次,高被引论文二十余篇。2010年获得湖南省自然科学一等奖，2018年获得北京市自然科学二等奖，2019年获得国家自然科学二等奖。2015-2019年Elsvier中国“高被引学者”。曾承担973子课题和基金委重点项目，国自然面上基金5项，教育部重大装备项目重点项目。
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