1. Frontier Review
Organiske solceller (OSC'er) betragtes som lovende kandidater til næste generation af fotovoltaisk teknologi på grund af deres unikke fordele, herunder løsningsbearbejdelighed, kompatibilitet med fleksible substrater og skalerbarhed til produktion af store arealer. I de senere år har fremskridt inden for polymerdonor- og ikke-fullerenacceptormaterialer drevet betydelige fremskridt, hvilket øger effektkonverteringseffektiviteten (PCE) af stive OSC'er til over 20 %. Effektiviteten af fleksible OSC'er halter dog stadig bagefter effektiviteten af stive OSC'er. For fuldt ud at realisere potentialet af organiske solceller i bærbare og bærbare enheder, er udviklingen af fleksible OSC'er baseret på ultratynde substrater (samlet enhedstykkelse mindre end 10 μm) blevet særlig vigtig. Sådanne enheder besidder fremragende mekanisk fleksibilitet og konform forbindelse, hvilket giver dem mulighed for bedre at tilpasse sig komplekse applikationsscenarier. At opnå høj effektivitet og robust mekanisk stabilitet i ultratynde fleksible OSC'er er dog fortsat en grundlæggende udfordring, der er afgørende for deres praktiske udrulning i applikationer i den virkelige verden.
Mens SAM-baseret højtydende væskekromatografi (HTL'er) er blevet grundigt undersøgt i stive enheder, er udviklingen af SAM-baserede HTL'er i fleksible OSC'er stort set uudforsket. Huludtrækningsevnen i SAM er meget følsom over for lagtykkelse og overfladedækning. Nuværende afsætningsteknikker resulterer ofte i dannelsen af store klynger, hvilket fører til dårlig overfladedækning af ITO-elektroden.
2. Litteraturgennemgang Forfatterne udviklede en enkel og effektiv modifikationsstrategi for at optimere morfologien af SAM'er på fleksible substrater. Ved at introducere det lille molekyle H-TPAc blev en ensartet og tæt fordeling af SAM'er på fleksible elektroder med succes opnået. H-TPAc-modificerede SAM'er fungerer som en bro mellem ITO-elektroden og det aktive lag, hvilket ikke kun forbedrer det aktive lags morfologi, men undertrykker også ladningsrekombination og fremmer ladningsopsamling. Desuden forbedrer denne modifikation betydeligt effektiviteten og den mekaniske stabilitet. For PM6:L8-BO:BTP-eC9 ternære stive enheder var PCE for den umodificerede SAM-baserede enhed 19,0%, mens PCE for den modificerede SAM-baserede enhed steg til 19,7%. Navnlig opnåede de ternære ultratynde fleksible enheder fremstillet ved hjælp af denne strategi en imponerende PCE på 17,5 %. Samtidig udviste disse enheder fremragende mekanisk stabilitet, idet de bibeholdt henholdsvis 94 % og 90 % af deres oprindelige effektivitet efter 2000 cyklusser med bøjning og cyklisk trækkompression. SAM-modifikationsstrategier har et stort potentiale i at udvikle nye HTL-materialer og yderligere optimere enhedens ydeevne.
Figur 1. a) Molekylær struktur af Br-2PACz. b) Molekylære strukturer af små molekylematerialer TCAc, TAAc, TPAc og H-TPAc. c) Kontaktvinkler af ITO belagt med forskellige SAM'er. d) Atomic force microscopy (AFM) billeder af ITO belagt med forskellige SAM'er. e) Konduktivitet af forskellige HTL'er. f) Ultraviolet fotoelektronspektroskopi (UPS) spektre af ITO/SAM og ITO/m-SAM. g) Energiniveauer for ITO, ITO/SAM og ITO/M-AM.
Overfladeruheden af ITO belagt med modificeret Br-2PACz SAM reduceres. Br-2PACz modificeret med H-TPAc-prøven udviser den glatteste overflade med en RMS på 2,44 nm. Den elektriske ledningsevne af Br-2PACz steg signifikant fra 1,53 × 10-3 S/m til 2,05 × 10-3 S/m efter H-TPAc-modifikation. Den lange kædes fleksibilitet gør det muligt for molekyler at justere deres orientering på substratet og derved forhindre dannelsen af Br-2PACz-klynger. Ydermere styrker indførelsen af hydrogenbindinger de molekylære interaktioner med Br-2PACz yderligere og undertrykker uordnet stabling og opnår dermed den laveste RMS.
Figur 2. Aktuelle PF-TUNA billeder af (a) Br-2PACz SAM og (b) modificeret Br-2PACz SAM på ITO. (c) 2D GIWAXS spredningsmønstre af Br-2PACz SAM og (d) modificeret Br-2PACz SAM. (e) Linjespredningskurver for Br-2PACz SAM og modificeret Br-2PACz SAM skåret fra 2D GIWAXS-mønsteret.
Den nedre stableafstand indikerer, at m-SAM udviser en tættere molekylær indkapsling på ITO-overfladen. Interaktionen mellem thiophendelen i H-TPAc-molekylet og carbazoldelen i Br-2PACz vil danne stærkere konjugerede π-bindinger, hvilket forbedrer ladningstransporten betydeligt.
Figur 3. AFM-billeder af ITO på (a) Br-2PACz SAM og (b) modificeret Br-2PACz SAM. 2D GIWAXS spredningsmønstre af PM6:L8-BO hybridfilmen på (c) Br-2PACz SAM og (d) modificeret Br-2PACz SAM. e) Linjespredningskurver for PM6:L8-BO hybridfilmen skåret ud fra 2D GIWAXS-mønsteret.
Hybridfilmen på modificeret Br-2PACz SAM udviser en glattere overflade med en RMS på 1,09 nm, som vist i figur 3a og 3b. Hybridfilmen udviser en distinkt fibrøs 3D-netværks-interpenetrerende struktur, som letter effektiv exciton-dissociation og forbedrer ladningstransporteffektiviteten. Kvantitativ analyse af π-π-stabling afslører forbedret strukturel orden i blandingen afsat på modificeret Br-2PACz SAM.
Figur 4: Kemiske strukturer af PM6, L8-BO og BTP-eC9. b) JV-kurver for stiv OSC. c) EQE-spektre af rigid OSC. d) PCE-statistik for rigid OSC baseret på forskellige SAM'er.
Figur 5. a) Enhedsstruktur af den ultratynde fleksible OSC. b) Fotografi af den ultratynde fleksible OSC. c) JV-kurve for den ultratynde fleksible OSC. d) EQE-spektrum af den ultratynde fleksible OSC. e) PCE-statistikker over ultratynde fleksible OSC'er baseret på forskellige SAM'er. f) JV-kurver for den ultratynde fleksible OSC før og efter skrælningsprocessen. g) Transient photocurrent (TPC) måling af OSC. h) Transient photovoltage (TPV) måling af OSC. i) Mørk JV-kurve for den ultratynde fleksible OSC.
PCE for den ultratynde fleksible OSC baseret på m-SAM er 17,5 %, væsentligt højere end for den SAM-baserede ultratynde fleksible OSC (16,7 %). Den ultratynde fleksible OSC baseret på m-SAM udviser en højere EQE i området med synligt lys (figur 5d). PCE-tællingshistogrammet for den ultratynde fleksible OSC er vist i figur 5e. Den gennemsnitlige PCE for den m-SAM-baserede ultratynde fleksible OSC når 17,3 %, mens den for den SAM-baserede ultratynde fleksible OSC kun er 16,3 %. Ydeevneforringelsen af den selvstændige ultratynde fleksible OSC efter afskalning fra det understøttende glassubstrat er desuden ubetydelig (Figur 5f).
Figur 6. a) Cyklisk kompressionsspændingstest af ultratynd fleksibel OSC. Variation af normaliseret (b) åben kredsløbsspænding, (c) fyldfaktor, (d) kortslutningsstrøm og (e) effektivitet i ultratynde OSC'er med forskellige kompressionsforhold. f) Normaliseret effektivitet af ultratynd fleksibel OSC som funktion af kompression-spændingscyklus. g) Normaliseret effektivitet af ultratynd fleksibel OSC som funktion af bøjningsperiode. h) Lagerstabilitet af ultratynd fleksibel OSC ved N2 atmosfære.
3. Litteraturoversigt
Sammenfattende udviklede forfatterne en simpel strategi til at fremstille effektive stive og ultratynde fleksible OSC'er ved at modificere Br-2PACz med lille-molekyle H-TPAc, hvilket forbedrer ensartetheden og dækningen af SAM'er på ITO-elektroder. Med introduktionen af H-TPAc forbedres det ordnede arrangement af Br-2PACz-molekyler betydeligt, hvorved ladningstransporten optimeres og fungerer som en bro til at regulere mikrostrukturen af det aktive lag. For stive PM6:L8-BO:BTP-eC9 ternære enheder var PCE for den umodificerede SAM-baserede enhed 19,0%, mens PCE for den modificerede SAM-baserede enhed steg til 19,7%. Den ternære ultratynde fleksible OSC-enhed fremstillet ved hjælp af m-SAM-strategien opnåede en signifikant effektivitet på 17,5 % og bibeholdt 94,0 % af sin oprindelige effektivitet efter 2000 bøjningscyklusser. Ydermere bibeholdt enheden også 90% af sin oprindelige PCE efter 2000 kompressions-strækcyklusser. Denne strategi giver ikke kun en lovende metode til at forbedre effektiviteten og stabiliteten af OSC'er, men tilbyder også en ny retning for anvendelsen af fleksible enheder, hvilket baner vejen for fremskridt inden for næste generations fleksibel elektronik.
De relevante forskningsresultater er for nylig blevet offentliggjort i det internationalt anerkendte tidsskrift *Advanced Energy Materials*, med titlen "High-Performance Ultrathin Flexible Organic Solar Cells Through the Modification of Self-Assembled Monolayers".
Nøgleord: Ultratynde fleksible organiske solceller, SAM, ternær stivhed, selvsamling, hultransportlag
