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        1. 蘇州納米所駱群等Advanced Energy Materials:順序噴墨印刷制備高性能有機光伏器件

            有機太陽能電池具有輕質、可半透明化以及可溶液法制備的優點。目前以非富勒烯小分子為電子受體的有機太陽能電池器件效率已經取得了較大突破,但器件有效面積小,且主要通過旋涂法實現,無法滿足實際應用。開發有機太陽能電池的大面積制備技術是實現低成本有機光伏走向應用的必要環節。溶液法薄膜的制備技術可以分成旋涂、涂布和印刷三大類。印刷方法相比于旋涂和涂布的優點包括加工速度快以及可圖案化,其中噴墨印刷是一種數字化的圖案化加工方法,由于其印刷圖案精度高以及油墨浪費率極低,在印刷顯示,精密電路等領域有廣泛的應用。  

            噴墨印刷制備有機太陽能電池聚合物:小分子(D:A)體異質結薄膜的關鍵是控制薄膜的微觀形貌,包括給受體分子堆積、聚集行為以及垂直相分離。印刷慢干燥的特點導致有機分子成膜干燥過程中過度聚集,這樣的形貌不利于激子解離和電荷傳輸,從而導致印刷電池效率低。而目前就噴墨印刷有機光活性層薄膜微觀形貌的成型規律以及控制方法還缺少研究。  

            蘇州納米所馬昌期團隊在有機太陽能電池溶液法和大面積器件制備研究方面已有多年積累,在功能墨水開發和印刷法制備有機太陽能電池方面取得了一系列進展。包括功能層墨水開發(ACS Nano 2018, 12 (6), 5518-5529; J. Mater. Chem. A 2021, 9 (31), 16889-16897; Chem. Eng. J. 2021, 425, 130620),電極和大面積器件制備(Adv. Funct. Mater. 2020, 31 (4), 2007276; J. Mater. Chem. A 2019, 7 (1), 212-220;Adv. Sci. 2019, 6 (22), 1901490.),界面調控輔助成膜等(ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13 (15), 17869-17881.)。  

            近期,駱群副研究員等就噴墨印刷有機光伏活性層相分離形貌調節開展系統研究。首先,通過印刷點間距和基底溫度調節墨滴的干燥和融合,獲得表觀質量高的薄膜。其中,提升印刷時基底溫度有效抑制了薄膜中有機分子的過度聚集,提升了激子解離效率和器件光電轉換效率,但是噴墨印刷的器件效率低于常規旋涂方法的電池。薄膜的微觀形貌特征表明,基于熱基底上噴墨印刷獲得的薄膜垂直方向呈現出給體和受體材料均勻分布的特點,而旋涂制備的薄膜給體和受體分別在陽極和陰極界面有富集。這樣一種給受體在界面處富集的垂直相分離形貌有利于電荷在陰陽界面處的選擇性收集,提升電池載流子收集效率。所以在抑制分子過度聚集的同時,調控薄膜的垂直相分離是形貌優化和進一步提升電池效率的關鍵。  

              1. 一步法噴墨印刷與旋涂法制備的有機光活性層薄膜形貌特征 

            研究團隊進一步提出了先受體后給體的分步噴墨印刷策略,相比于一步法印刷制備的薄膜,分步噴墨印刷的薄膜表現出了理想的垂直相分離結構,同時也具有較小尺度的分子聚集,使得有機光活性層具備高效的激子解離、電荷傳輸特性的同時,也具有高的載流子收集效率,進而制備的器件性能到達了當前文獻報道的最高值。分步印刷時的溶劑作用機理以及墨滴再溶解固化過程中的組分變化規律還在進一步研究中。  

             

              2. 順序噴墨印刷實現gradient狀的垂直相分離形貌,獲得基于噴墨印刷活性層的有機太陽電池效率超過13% 

            相關工作以“Balancing the Molecular Aggregation and Vertical Phase Separation in the Polymer: Nonfullerene Blend Films Enables 13.09% Efficiency of Organic Solar Cells with Inkjet-Printed Active Layer”為題發表在Advanced Energy Materials 上。本文的第一作者是中科大納米學院和中科院蘇州納米所聯培碩士生陳興澤,通訊作者是中科院蘇州納米所副研究員駱群。該工作得到了國家自然科學基金,中科院青促會,中科院CAS-CSIRO聯合項目以及中科院蘇州納米所納米真空互聯實驗站的支持。  

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