近年来，有机太阳电池(OSCs)因质轻、半透明、可溶液加工等优点，已成为极具发展前景的可再生绿色转化技术之一，体现了巨大的应用潜力。当前，得益于新材料的设计开发及活性层形貌的优化，基于本体异质结(BHJ)结构器件的功率转换效率(PCEs)已超过19%。但是，如何精准调控活性层形貌，形成梯度分布结构的给受体组分来提高电荷的传输与收集和减少复合仍然是一项挑战。为了解决这一问题，研究者们采用了顺序沉积给体和受体的方法调控活性层梯度分布，这一策略不仅可以降低给体和受体材料相互作用的复杂性，还能使给受体分别富集在阳极和阴极，从而大大提高电荷的传输和利用效率。然而，目前高效体系中的给体/受体材料均易溶于氯仿、氯苯和甲苯等溶剂中，正交溶剂较难选择且效率较低，所以如何减少上层溶液对下层薄膜的侵蚀，仍是准平面异质结（PPHJ）有机太阳电池需要探究的难题。
为了精确调控活性层梯度分布并解决顺序沉积中上层溶液的冲刷问题，南昌大学/江西师范大学陈义旺教授团队报道了一种将纳米压印技术和顺序沉积相结合的策略，首次制备了高质量的PM6纳米光栅，使给体/受体受限结晶，以精确地调节垂直相分离形态。研究人员采用2 μm光栅模板，探究了不同温度下纳米压印对于薄膜形貌及器件性能的影响。测试结果发现，纳米压印可以极大的提高给体的结晶性，有效地抑制了在顺序沉积过程中上层溶剂对下层薄膜的侵蚀，因此在压印后的PM6/Y6的PPHJ薄膜中，Y6更趋于在活性层表面聚集，而PM6趋向在活性层底部聚集，在垂直方向形成了具有良好梯度分布的活性层形貌。不仅如此，由于纳米压印的作用，PM6/Y6的结晶取向也得到了优化，形成了规整的电荷传输通道，提高了激子分离效率和电荷的传输性能。而且由于活性层中形成了光栅结构，对光的利用率得到了大幅增强，使得短路电流有所增强。最终，在压印温度为150 ℃时器件性能最优，PCE从15.46%提高到17.36%，FF从70.93%提高到76.40%。这些结果表明，纳米压印结合顺序旋涂的策略是一种调控垂直相分离形态以获得更好的器件性能的有效方法。
图1 整个纳米压印实验流程图。(a)玻璃干燥器中FDTS防粘层真空蒸发示意图。(b)聚合物给体PM6和小分子Y6的化学结构。(c)转移到给体膜表面的实验示意图。(d)硅模板的平面和截面扫描电镜图像。(e) 压印PMY/Y6后的器件结构图。(f)纳米压印处理前后活性层垂向成分演化示意图。
图2 (a) 压印PM6和(b) 压印PM6/Y6在150 °C下的光学显微镜图(OM)和深度图。(c) 150 °C下压印PM6的平面和(d) 截面扫描电镜图。(e) 压印PM6/Y6的截面扫描电镜图与放大图。原子力显微镜 (AFM) 和相图(f) PM6和(g) PM6/Y6，(h) 压印PM6和 (i) 压印PM6/Y6在150℃下的相图。
本论文发表于国际材料顶级期刊 Advanced Functional Materials（IF = 19.924）上，题为“Nanoimprint Lithography-Dependent Vertical Composition Gradient in Pseudo-Planar Heterojunction Organic Solar Cells Combined with Sequential Deposition”。本文通讯作者为陈义旺教授以及南昌大学谈利承教授，第一作者为南昌大学博士研究生毛厚东，共同第一作者为江西师范大学张立福博士。
全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202209152