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2020/10/27 9:21:00

新兴的具有晶体结构域的非富勒烯受体(NFAs)可以实现更高性能的本体异质结(BHJ)太阳能电池。众所周知,热退火可以提高BHJ光活性层的形貌和性能。然而,在新兴的NFAs中,人们对退火诱导性能增强的微观机制知之甚少,特别是关于相互作用力的因素。

 

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在这里,对体系PBDB-TF:Y6进行了优化退火,降低了开路电压(VOC),但增加了短路电流(JSC)和填充因子(FF),使得最终的光电转换效率(PCE)由14%提高到15%。美国西北大学材料科学与工程系的Tobin J. Marks、Antonio Facchetti等人利用SCLC、GIXRD、AFM、XPS、NEXAFS、R-SOXS、TEM、STEM、fs/ns TA谱、2DES和阻抗谱等手段,通过对载流子迁移率、薄膜形貌、电荷光生和复合等方面的深入研究,系统地研究了这些热退火效应。

 

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令人惊讶的是,热退火没有改变薄膜的结晶度,也没有改变R-Soxs的特征尺寸、相对平均相纯度,也没有改变TEM成像的相分离,而是促进了Y6向BHJ薄膜顶表面的迁移,改变了PBDBTF/Y6的垂直相分离和混合,降低了底表面粗糙度。虽然这些形貌变化增加了双分子复合(BR),降低了自由电荷(FC)产率,但它们也使电子和空穴的平均迁移率增加了至少两倍。

 

重要的是,增加的μh在增加的FF和PCE上占主导地位。 单晶X射线衍射表明,Y6分子通过其端基/核共面堆积,最短的π-π距离接近3.34A,阐明了Y6分子在纳米晶BHJ域中的面外π-面面堆积。密度泛函分析(DFT)表明,Y6晶体的空穴/电子重组能低至16 0/15 0 meV,大的分子间电子耦合积分为12.1~37.9 meV,使3d电子传输更合理化,μe相对较高,达到10-4cm2 V-1 s-1。

 

综上所述,这项工作阐明了热退火效应对高效NFA太阳电池和未来材料设计的任务影响。

 

 

DOI:

https://doi.org/10.1021/jacs.0c05560

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