有机太阳电池活性层的高湿度空气可加工性研究新思路

  近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的最新研究成果以“Siloxane-induced robust photoactive materials with high humidity tolerance for ambient processing of organic solar cells”为题在Energy & Environmental Science上发表。该工作指出了高湿度环境下溶剂挥发造成的水汽冷凝是引起有机太阳能电池活性层形貌破坏，导致器件效率下降的重要因素，并从材料设计角度提出光活性材料中引入硅氧烷封端侧链是提升活性层高湿度环境容忍性的一种有效策略。 

溶液可加工的有机太阳能电池（OSCs）因其重量轻、柔性、半透明和灵活性在可再生能源技术领域展极具前景。得益于高性能材料的出现以及器件工艺的不断改进，近几年OSCs在器件效率方面获得巨大提升。目前，单结OSCs的效率已经超过19%。然而，这些高效率OSCs的光活性层大多需要在惰性气氛下制备，在空气中加工通常遭受效率下降现象，且环境湿度越高效率下降越明显。而OSCs商业化发展迫切需求实现高性能空气加工，以便与大面积刮涂、喷墨打印等技术兼容。与惰性气氛不同，空气环境主要涉及到氧气和水汽，而且环境的相对湿度总是不断变化，在雨季或者某些沿海地区，相对湿度可能超过90%，这就要求可空气加工的OSCs应具有高的湿度容忍性。针对该挑战，该研究探索了环境相对湿度对OSCs器件效率的影响因素，并从材料设计的角度提出光活性材料中引入硅氧烷封端侧链是提升活性层高湿度环境容忍性的一种有效策略。

该研究首先对比了当前多个高效率光活性层体系（包括：PM6:Y6、PM6:L8-BO、PM6:BTP-eC9）在氮气填充手套箱以及90%湿度的空气加工对OSCs器件效率的影响，发现高湿度空气加工的器件都遭受严重的效率下降，尤其PM6:BTP-eC9在高湿度空气加工出现肉眼可见的形貌变化。随后作者通过简单的高/低湿度下，纯溶剂和聚合物溶液在基板上挥发的对比实验，指出大量溶剂挥发过程中，水汽在基板上冷凝是造成活性层形貌破坏、引起器件效率下降的一个重要原因。通过揭示两种基于聚合物PTQ10和PQSi705的活性层体系存在很大高湿度容忍性差异，提出了相关材料对策。PTQ10和PQSi705具有相同喹喔啉-噻吩共轭骨架但侧链略有不同，与PTQ10结构相比，PQSi705包含0.5%的硅氧烷封端侧链。相比PTQ10:Y6活性层在高湿度空气加工呈现严重器件效率下降，PQSi705:Y6的活性层在变化湿度的环境加工显示出几乎相同的PCE，表明硅氧烷封端侧链修饰的PQSi705具有较强的耐湿性。极端高湿度条件处理（包括：空气中长期存放，活性层表面浸泡水以及将活性层暴露在沸腾的水汽）进一步证实了PQSi705:Y6活性层的强耐水性。且PQSi705与高效率受体m-THE搭配，在90%相对湿度下加工也能保持与氮气手套箱加工几乎相同的器件效率（~18%）。此外，更多包含硅氧烷封端侧链的聚合物给体或受体在空气加工都能体现出强的耐湿性，具有一定的普适性，因此证实了光活性材料中引入硅氧烷封端侧链是实现OSCs空气加工的一种有效策略。

刘海珍博士是本研究工作的第一作者，通讯作者为华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的陈军武教授和张连杰副教授。该项工作受到国家重点研发计划，国家自然科学基金项目，广东省基础与应用基础研究基金，广州科技计划项目和广东省自然科学基金项目的支持。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EE/D3EE01393F