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從一篇AEM，看GIWAXS如何助力有機太陽能電池的熱穩定性分析~

來源：測試GO 時間：2020-12-01 17:18:12 瀏覽：17636次

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隨著有機太陽能電池的效率不斷攀升，有機電池穩定性成為了研究人員越來越關注的問題。最近，來自韓國蔚山科學技術院的團隊借助掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)測試分析，報道了他們對熱穩定性研究的最新成果。

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我們知道使用溶劑添加劑是增強電池性能的有效方法。然而溶劑添加劑是一把雙刃劍，器件中殘留的溶劑添加劑可能導致活性層形貌變得不是那么穩定。同時，高沸點的溶劑添加劑通常不易完全除凈，因此制備無添加劑的高效器件對提升器件穩定性顯得十分重要。

在這篇文章中，研究人員合成了一種非富勒烯受體i-IEICO-2F，基于該受體的器件在不使用任何溶劑添加劑的情況下實現了11%以上的效率并且該器件具有十分出色的熱穩定性。研究人員通過大量的GIWAXS和AFM測試分析，對器件穩定性提高做出了充分的解釋，下面我們一同了解一下他們的研究成果。

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圖1 J52、i-IEICO-2F、i-IEICO-4F和IEICO-4F的化學結構圖

研究人員合成的i-IEICO-2F是IEICO-2F的一種同分異構體（圖1）。分子結構的改變導致i-IEICO-2F的主鏈構型更為扭曲，其吸收峰與IEICO-2F相比藍移了一百多納米，但i-IEICO-2F仍具有較窄的帶隙（Eopt g=1.51 eV）。基于J52和i-IEICO-2F的單結正置器件在不使用添加劑的情況下效率（PCE）可以達到11.28%。

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圖2 基于非富勒烯受體（i-IEICO-2F，IEICO-4F和i-IEICO-4F）器件的（a）J_SC，（b）V_OC，（c）FF和（d）PCE的歸一化熱穩定性

結構的改變帶來的不僅僅是效率的提升，i-IEICO-2F的熱穩定性表現同樣優異。作為對比，研究人員測試了三種器件的熱穩定性。在150℃的溫度退火下，J52: i-IEICO-2F器件的J_SC在184.5小時后仍保持了初始值的88%；在加熱184.5小時后，基于i-IEICO-2F器件的PCE下降至初始值的44%；而基于IEICO-4F和i-IEICO-4F器件的J_SC和PCE則下降的很明顯。

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圖3 J52: i-IEICO-2F二元共混膜的AFM高度圖（活性層在150℃進行退火）

為了進一步探討熱退火對活性層形貌的影響，研究人員使用了AFM來進行分析（圖3）。在熱退火期間J52: i-IEICO-2F共混膜一直保持光滑、無定形的形態，且RMS值保持0.95-1.17 nm范圍內。在退火184.5 h后，共混膜的相尺寸略有增加，這可能是器件性能下降的原因之一。但是，J52: IEICO-4F和J52: i-IEICO-4F的共混膜在熱退火的過程中分子逐漸聚集結晶，薄膜的形態發生變化。

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圖4 （a-o）根據退火處理時間J52: i-IEICO-2F共混膜的2D GIWAXS衍射圖；（p）沿in-plane方向切線圖；（q）沿out-of-plane方向切線圖

薄膜形貌的變化勢必帶來分子堆積和結晶的改變，分析分子結晶的變化又怎么能少的了GIWAXS。根據GIWAXS分析可以發現，熱退火5分鐘后J52:i-IEICO-2F共混膜中的所有衍射峰與未退火的共混膜相同，不同的是（010）面的衍射峰強度略有增強，直到退火時間達到144小時都能觀察到相同的趨勢。在退火時間達到184.5h后，在2-D衍射圖中可以明顯觀察到一些新出現的弧狀的信號，切線圖中可以清楚的看到在in plane方向出現0.3 ?^-1和0.39 ?^-1的衍射峰，在out-of-plane出現0.44 ?^-1的衍射峰。根據先前的分析認為這些峰的出現是由于i-IEICO-2F的聚集引起的，其中在0.30和0.39?^-1處的衍射峰是（100）峰分裂而來。在in-plane方向的0.62/0.78/1.14?^-1以及out-of-plane中的0.85/1.30?^-1出現的衍射峰可能是（h00）或（00h）平面的相互作用產生的（見圖5）。i-IEICO-2F的自聚集可能是圖3（j）中觀察到的相尺寸增加的原因。值得注意的是，J52: i-IEICO-2F共混膜在高溫下可保持超過180小時的理想晶體學性能，從而可以保持有效電荷傳輸并維持器件性能，這與器件優異的熱穩定性相符合。

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圖5 根據熱退火處理時間J52: i-IEICO-2F共混膜衍射峰的標示圖。白色標識為共混膜的衍射峰，橙色標識為i-IEICO-2F自聚集產生的衍射峰。

研究人員對IEICO-4F和i-IEICO-4F也進行了GIWAXS分析，他們發現J52: IEICO-4F共混膜退火72.5小時仍保持與未退火的薄膜相似的衍射圖樣。退火96小時后，共混膜出現許多衍射環。在退火超過180小時后這些衍射環的信號變得更強。對于i-IEICO-4F的共混膜來說，退火5分鐘后就出現了衍射環，這些衍射環的信號隨著退火時間的增加變得更加明顯。

通過以上分析，研究人員確信共混膜中相分離的形成主要受受體聚集的影響。在長時間的熱處理過程中，IEICO-4F和i-IEICO-4F與i-IEICO-2F相比會產生更明顯的結晶，導致共混膜產生過度的相分離，最終影響了活性層中的電荷傳輸效率。產生這些現象的最終結果是導致基于IEICO-4F和i-IEICO-4F的器件性能和穩定性要比i-IEICO-2F的器件更差。

總之，這篇來自韓國蔚山科學技術院的文章通過對比不同分子在熱退火過程中結晶的變化，揭示了不同器件穩定性差異的原因。該文章提出了一種對分子結構進行進一步的微調來制備高效且穩定的非富勒烯太陽能電池的新思路，這將進一步助力有機太陽能電池在未來實現商業化的進程。文章采用了大量的GIWAXS分析詳細研究了分子結晶的變化，為器件穩定性的分析提供了強有力的證據，成為研究分子結晶對器件性能和穩定性影響的有利工具。

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Nat. Commun.(2020) 11:418