浙江大学陈红征等人AM:逐层处理法制备三元OPV，效率超过18%

单结有机光伏（OPV）器件通常采用三明治型几何结构，其中活性层位于两个具有不同功函数的相对电极之间。除了设计具有更优异光伏性能的新型活性层材料分子之外，另一个提高OPV效率的主要途径是器件的结构改造，近年来也取得了革命性的进步。事实上，OPV从最初的单层器件只含有一种有机半导体材料，发展到目前给体（D）和受体（A）共混组成的双层结构，而后转变为在D和A之间形成的体异质结（BHJ）结构。此外，研究人员还通过引入额外的电荷传输层和/或界面层，进一步优化了BHJ结构。然而，对于BHJ结构来说，形成良好的垂直相分布是相当困难的，特别是对于基于非富勒烯受体的OPV，由于给体和非富勒烯受体之间的化学结构高度相似，这就使得热力学上的给体与受体混合度较高。因此，实现理想的垂直相分布对非富勒烯OPV来说是一个严峻的挑战。

图1：给受体分子结构、吸收光谱，及BHJ型、LbL型OPV结构示意图等

为了获得垂直相分布，研究人员开发了逐层（LbL）处理方法，通过依次沉积D和A层，从而形成类p-i-n形态。近日，浙江大学陈红征教授、左立见研究员，以及香港中文大学路新慧教授合作报道了基于PM6:BO-4Cl:BTP-S2共混物的BHJ型和LbL型三元OPV。其中，BTP‐S2是一种具有低能量损失的不对称电子受体，由该课题组先前报道，可以作为三元OPV的第三组分。研究结果表明，与BO-4Cl相比，具有不对称结构的BTP-S2与PM6的相容性较低，因此BTP-S2的加入有助于避免LbL法处理过程中给体和受体的过度混合，从而形成了LbL型三元OPV，并具有阳极富集给体阴极富集受体的垂直相分布。相反，通过LbL法制备的二元OPV（PM6:BO-4Cl）仍具有BHJ型的形貌。

图2：BHJ型与LbL型OPV性能测试

研究发现，与BHJ型三元OPV相比，LbL型三元OPV形成了良好的垂直相分布，同时降低了电荷复合，提高了电荷传输和收集性能，从而使填充因子（FF）提高到78.04%，短路电流密度（J_SC）提高到27.14 mA cm^-2。也正因此，LbL型三元OPV获得了高达18.16%的光电转换效率（PCE），是迄今为止报道的单结OPV的最高效率之一，明显优于BHJ型三元OPV的PCE（18.03%）。此外，在另一组基于PM6:Y6:BTP-S2的三元OPV之中，研究人员也观察到与PM6:BO-4Cl:BTP-S2类似的结果，这表明了LbL法可普遍适用于制备高性能三元OPV。

图3：TOF-SIMS测试及LbL型装置的制造程序图

这项工作表明，通过选择合适的三元体系，利用普通溶剂（氯仿）和旋涂成膜方法可以成功地制备出具有理想p-i-n形貌的LbL型三元OPV，这一结果不仅促进了LbL加工方法的应用，也为高效OPV提供了一种简单有效的策略。相关研究成果现已发表在《Advanced Materials》上，题为“Layer-by-Layer Processed Ternary Organic Photovoltaics with Efficiency over 18%”。