Abstrak
Kemajuan terkini dalam sel surya organik (semikonduktor) (OSC) telah menghasilkan efisiensi konversi daya (PCE) yang mencapai 20%, dengan prediksi bahwa 25% mungkin dapat dicapai. Selain peningkatan PCE, upaya signifikan telah dilakukan untuk mengatasi tantangan rekayasa yang secara tradisional membatasi perangkat OSC pada area kecil yang sering kali memiliki stabilitas temporal yang buruk. Pemrosesan lapis demi lapis (LbL) dari lapisan aktif telah muncul sebagai pendekatan yang menjanjikan untuk mengatasi tantangan ini, dengan banyak OSC canggih yang diproses menggunakan LbL yang dilaporkan. Dalam Perspektif ini, perkembangan terkini dikembangkan dalam meningkatkan efisiensi dan stabilitas OSC, dengan fokus khusus pada mekanisme kerja heterojunction pseudo-bilayer (P-BHJ) dan aspek praktis dari fabrikasi perangkat berkinerja tinggi menggunakan teknik LbL. Dengan memberikan wawasan ke dalam pemrosesan LbL dan morfologi film yang dihasilkan, diharapkan dapat berkontribusi pada upaya yang sedang berlangsung untuk meningkatkan efisiensi, stabilitas, dan skalabilitas OSC dan untuk mengeksplorasi potensinya untuk aplikasi yang lebih luas seperti misalnya untuk pemanenan cahaya dalam ruangan atau agrivoltaik.

1 Pendahuluan
Sel surya organik (OSC) telah menarik perhatian signifikan dalam konteks pembangkitan energi bersih karena potensi keuntungannya, terutama terkait dengan kemudahan pemrosesan, potensi biaya rendah, manufaktur rendah, dan sifat optik yang dapat disesuaikan. [ 1 – 3 ] Melalui upaya penelitian ekstensif dalam desain molekuler, prinsip operasi fundamental, dan rekayasa perangkat, OSC sambungan tunggal kini telah mencapai efisiensi konversi daya (PCE) sebesar 20%, [ 4 – 6 ] dengan potensi mencapai 25%. [ 7 ] Meskipun ada peningkatan penting ini, komersialisasi OSC tetap menjadi tantangan besar terutama karena masalah stabilitas dan skalabilitas yang membatasi OSC ke sel area kecil dengan umur pendek atau, modul dengan arsitektur terhubung serial strip tipis. [ 8 ]

Struktur khas OSC adalah anoda, katoda, lapisan transpor muatan, dan lapisan aktif yang diapit di antara mereka. [ 9 ] Struktur dan morfologi lapisan aktif sangat memengaruhi penyerapan foton, disosiasi eksiton, transpor muatan, dan PCE. [ 10 ] Untuk mengatasi keterbatasan konfigurasi lapisan aktif heterojunction planar (PHJ) yang dibentuk oleh pengendapan berurutan bahan donor (tipe-p) dan akseptor (tipe-n), [ 11 ] strategi heterojunction massal (BHJ) diperkenalkan. [ 12 ] BHJ memiliki banyak antarmuka donor (D)/akseptor (A) skala nano di dalam lapisan aktif karena pemisahan fase nanoskopik dari campuran donor dan akseptor, memfasilitasi pemisahan pasangan elektron-lubang (eksiton) melalui pembentukan keadaan transfer muatan antarmuka (CT). Hal ini memungkinkan pembangkitan pembawa muatan yang efisien, [ 10 ] yang penting untuk menghasilkan arus foto dan tegangan foto. Lapisan aktif BHJ dibentuk dengan mencampur donor dan akseptor elektron dalam larutan dan mengendapkannya dalam satu langkah. Pada akhirnya, penggunaan BHJ telah memungkinkan terwujudnya sejumlah OSC berkinerja tinggi, dengan rekor PCE yang kini mencapai 20,8%. [ 13 ]

Molekul donor dan akseptor dalam OSC mutakhir memiliki struktur terkonjugasi multiskala, [ 14 , 15 ] yang mengakibatkan interaksi antarmolekul yang kompleks, pengorganisasian diri selama pemrosesan, dan pemisahan fase spontan dalam keadaan padat saat dicampur bersama. [ 16 , 17 ] Selain itu, keadaan morfologi sistem mungkin metastabil secara kinetik, daripada stabil secara termodinamika. [ 18 ] Oleh karena itu, setelah paparan cahaya yang lama atau penuaan termal, degradasi morfologi yang signifikan dapat terjadi, [ 19 , 20 ] termasuk dekomposisi domain donor/akseptor dan penyusutan antarmuka serta pemisahan fase yang berlebihan, [ 21 ] yang menyebabkan degradasi parah pada pengangkutan muatan dan masa pakai perangkat yang lebih pendek. [ 22 ] Selain itu, stratifikasi vertikal dalam film dipengaruhi oleh efek permukaan dan antarmuka; [ 23 ] dengan demikian mencapai distribusi fase yang optimal memerlukan gaya pendorong yang signifikan dari fitur struktural dan kelarutan bahan yang terlibat.

Bahasa Indonesia: Untuk melampaui OSC BHJ campuran, heterojunction pseudo-bilayer (P-BHJ) yang diproses lapis demi lapis (LbL) telah dikembangkan sebagai alternatif. [ 24 , 25 ] Metode pemrosesan LbL melibatkan pengendapan bahan donor dan akseptor secara berurutan, yang menawarkan keuntungan signifikan dalam persiapan film [ 26 ] dan penyempurnaan morfologi dibandingkan dengan pemrosesan BHJ. Hal ini memungkinkan pra-perlakuan individual untuk molekul donor dan akseptor sebelum dicampur, [ 27 ] memberikan fleksibilitas lebih besar untuk mengendalikan pra-agregasi bahan, yang bermanfaat untuk mencapai morfologi ideal dan pemisahan fase pada lapisan aktif yang dihasilkan. [ 26 , 28 ] Lebih jauh, antarmuka bertahap yang menginduksi struktur fase non-kontinyu dapat terbentuk dalam P-BHJ, yang dapat menghasilkan dinamika eksiton dan muatan yang sangat berbeda dibandingkan dengan kasus BHJ, mungkin termasuk pengurangan rekombinasi bimolekuler yang mengarah pada faktor pengisian yang lebih baik. [ 27 – 29 ] Selain itu, karena distribusi fase vertikal pin yang unggul, lapisan aktif yang diproses LbL diharapkan menunjukkan kepadatan status (DOS) yang lebih sempit. [ 32 ] Akibatnya, pemrosesan LbL telah meningkatkan PCE OSC ke nilai yang sebanding atau bahkan melampaui yang dicapai dengan pendekatan BHJ. [ 33 ]

Penelitian tentang OSC P-BHJ dimulai bersamaan dengan penelitian tentang OSC BHJ, tetapi karena pencampuran yang besar antara molekul donor dan akseptor dan koefisien difusi eksiton yang terbatas, kinerjanya secara umum tertinggal di belakang BHJ yang terbuat dari bahan yang sama. Selain itu, lapisan aktif P-BHJ memerlukan langkah-langkah fabrikasi tambahan dan kontrol yang cermat pada setiap lapisan (misalnya, ketebalan), yang meningkatkan kompleksitas yang memengaruhi reproduktifitas. Selain itu, pemrosesan LbL mungkin tidak selalu dapat diterapkan secara efektif pada perangkat terbalik berdasarkan sistem polimer:molekul kecil, di mana molekul kecil diendapkan terlebih dahulu dengan pengendapan berikutnya yang menghancurkan lapisan molekul kecil.

Akan tetapi, baru-baru ini, pengenalan bahan donor dan akseptor baru telah menyebabkan kebangkitan dalam pemrosesan LBL di mana perangkat P-BHJ kini kompetitif dengan perangkat BHJ sejenisnya. Dalam Perspektif ini, kami secara sistematis menganalisis pemrosesan film, karakteristik morfologi, difusi eksiton, dan dinamika pengangkutan muatan dalam OSC P-BHJ, dan memperkenalkan potensi keuntungan P-BHJ untuk peningkatan skala dan stabilitas yang diperlukan untuk penyerapan teknologi OSC yang lebih layak. Memajukan pemahaman yang komprehensif tentang hubungan antara teknik pemrosesan dan struktur film sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja perangkat, yang dapat membantu menyempurnakan lapisan aktif P-BHJ dan diharapkan dapat memandu arah pengembangan OSC P-BHJ di masa mendatang, khususnya untuk target aplikasi seperti fotovoltaik terintegrasi bangunan, agrivoltaik, dan fotovoltaik dalam ruangan.

2 Fabrikasi Lapisan Aktif
Pengemasan molekular, keadaan agregat, dan pemrosesan film selama persiapan lapisan aktif sangat penting untuk mencapai OSC berkinerja tinggi. Pertama, kami akan meneliti kontribusi bahan semikonduktor organik terhadap kinerja lapisan aktif. [ 34 – 36 ] Kemudian, kami akan menunjukkan pentingnya metode pemrosesan dalam mengendalikan morfologi film dan sifat lapisan aktif yang dihasilkan.

2.1 Bahan Semikonduktor Organik
OSC biasanya dibuat dari campuran dua semikonduktor organik yang dikenal sebagai donor dan akseptor, sering dilambangkan sebagai D:A. Campuran umum meliputi polimer:fullerene, polimer:molekul kecil, polimer:polimer, molekul kecil:molekul kecil, dan campuran multi-komponen. [ 37 ] Sifat intrinsik dari bahan yang dipilih dan jenis heterojunction yang terbentuk akan sangat mempengaruhi sifat transpor elektron dan hole dalam perangkat, sehingga mempengaruhi tegangan rangkaian terbuka ( V OC ), kerapatan arus hubung singkat ( J SC ), dan faktor pengisian (FF). Untuk bahan akseptor, turunan fullerene dengan struktur molekul “seperti bola” umumnya dipilih dalam studi awal, dengan OSC berdasarkan PC 71 BM (lihat Informasi Pendukung ) mencapai PCE hingga 11,7%. [ 38 ] Upaya bersamaan untuk mengembangkan akseptor non-fullerene (NFA) seperti seri bahan PDI (misalnya, Fenil-PDI) kurang berhasil. [ 39 ] Molekul-molekul planar 2D ini cenderung berkumpul sendiri menjadi struktur kristal besar, yang menyebabkan pemisahan fase yang berlebihan dan berkurangnya antarmuka donor/akseptor dalam film, sehingga menghasilkan kinerja perangkat yang tidak ideal. [ 40 , 41 ]

Di sisi lain, pengembangan ADA dan NFA tipe ADADA (misalnya, ITIC dan Y6) dengan spektrum serapan dan tingkat energi yang disesuaikan menyebabkan peningkatan bertahap dalam PCE. [ 14 , 15 ] Secara umum, akseptor seri-Y (termasuk Y6 dan L8-BO) menunjukkan spektrum serapan luas yang meluas ke wilayah inframerah-dekat (yaitu memiliki celah optik sempit), yang meningkatkan serapan dalam kondisi matahari yang mengarah ke J sc yang lebih besar . Selain itu, akseptor seri-Y menunjukkan preferensi untuk orientasi muka dan penumpukan π–π yang rapat, yang diharapkan bermanfaat untuk transpor muatan. Seperti yang terlihat pada Gambar 1 , molekul-molekul ini memiliki berbagai pola penumpukan dan agregasi, yang memungkinkannya membentuk jaringan antarmolekul multidimensi; seri-Y (L8-BO dan Y6) menunjukkan jaringan sarang lebah, [ 42 – 44 ] dengan demikian memfasilitasi transpor muatan yang efisien. [ 45 ] Diperkirakan juga bahwa akseptor seri-Y dalam fase rapi dapat menghasilkan muatan bebas berumur panjang dengan lingkungan mobilitas ambipolar, [ 46 ] yang dapat dengan mudah diekstraksi menggunakan lapisan transpor yang disesuaikan secara energetik. Khususnya, panjang difusi eksiton ( L D ) dari akseptor seri-Y biasanya beberapa kali lipat dari bahan sebelumnya (yaitu, akseptor fullerene dan seri IT), [ 47 , 48 ] memungkinkan difusi eksiton yang efisien ke antarmuka donor/akseptor; ini mendorong pengembangan OSC P-BHJ berkinerja tinggi, dan membuat akseptor seri-Y sangat cocok untuk mewujudkan OSC terproses LbL berkinerja tinggi.
Gambar 1
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Struktur kristal tunggal dan sifat pengemasan molekuler NFA: Tampilan utama sketsa konformasi dan pengemasan molekuler a) L8-BO dan b) Y6, garis putus-putus mewakili jarak perakitan mandiri rantai samping NFA. (Diperbanyak dengan izin. [ 42 ] Hak cipta 2021, Springer Nature). c) Sifat pengemasan molekuler yang diilustrasikan dari L8-BO, Y6, dan IT-4F. (Diperbanyak dengan izin. [ 44 ] Hak cipta 2022, Elsevier).
Pengolahan 2.2 LbL
Sementara perhatian yang signifikan selalu diarahkan pada pengembangan material canggih, pemrosesan film sama pentingnya dalam fabrikasi film tipis berkualitas tinggi dari larutan. [ 49 ] Pembentukan film P-BHJ didorong oleh pembengkakan-penetrasi material dan pelarut dan memiliki potensi untuk menciptakan morfologi stabil yang dioptimalkan untuk OSC. Gambar 2a , b mengilustrasikan perbedaan antara pemrosesan campuran dan LBL. Seperti yang disebutkan sebelumnya, pemrosesan campuran terdiri dari pembuatan larutan material donor dan akseptor dan pengendapan ke substrat dalam satu langkah. Sebaliknya, pemrosesan LbL terdiri dari pengendapan larutan material donor pada substrat diikuti oleh larutan material akseptor. Dapat dipahami bahwa material donor membentuk perancah yang material akseptor secara bertahap menembus melalui efek pembengkakan pelarut akseptor (lihat Gambar 2c ). [ 50 ] Proses ini akan mengarah pada interaksi molekuler dinamis, yang turut mendorong pemisahan fasa dalam film yang dihasilkan dengan penguapan pelarut, [ 51 ] yang juga disebut efek pembengkakan-interkalasi-pemisahan-fase (SIPS). [ 52 , 53 ] Dengan demikian, sifat pelarut, seperti polaritas dan titik didih, memiliki efek besar pada proses SIPS. Dengan mengendalikan kondisi pemrosesan, distribusi fasa dan morfologi film dapat divariasikan. Russell dkk. [ 54 ] mendepositkan PC 71 BM yang dilarutkan dalam berbagai pelarut termasuk toluena, orto -xilena ( o -XY), klorobenzena (CB), dan 1,2-diklorobenzena (DCB) ke dalam film pDPP, kemudian menemukan bahwa toluena dan o -XY menunjukkan pembengkakan terbatas, sehingga PC 71 BM terbatas pada lapisan permukaan dangkal film pDPP. Namun, CB dan DCB menunjukkan penetrasi dan kontak yang efektif antara PC 71 BM dan pDPP karena pembengkakan pelarut yang lebih baik.
Gambar 2
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Diagram prosedur fabrikasi untuk lapisan aktif a) BHJ dan b) P-BHJ. c) Ilustrasi skematis proses pembengkakan-penetrasi: pelarut pemrosesan pertama-tama membengkakkan matriks polimer donor yang telah diendapkan sebelumnya, dan kemudian akseptor menembus polimer seperti gel untuk membentuk lapisan aktif. (Direproduksi dengan izin. [ 50 ] Hak cipta 2024, Wiley-VCH). d) Evolusi karakteristik morfologi dan proses fundamental sebagai fungsi suhu pelat dasar. (Direproduksi dengan izin. [ 65 ] Hak cipta 2021, Wiley-VCH).
Pelarut juga dapat menginduksi efek solution-incubated pre-aggregation (SIPA) pada material, [ 55 ] yang signifikan untuk mengatur kristalinitas dan agregat molekuler dari donor dan akseptor. Semikonduktor organik yang berkristal lemah sebagian besar menunjukkan keadaan amorf setelah pembentukan film dengan saluran transpor pembawa yang tidak berkesinambungan dan mobilitas rendah. Strategi SIPA dapat menyesuaikan interaksi pelarut-zat terlarut melalui solution aging atau penambahan anti-pelarut, yang menginduksi semikonduktor organik untuk membentuk pra-agregat yang bertindak sebagai agen nukleasi untuk meningkatkan kristalinitas, sehingga membentuk struktur fase-terpisah yang lebih diinginkan. Aditif dapat lebih meningkatkan efek ini, menawarkan cara serbaguna untuk memanipulasi struktur molekuler dan sifat material dalam lapisan aktif. [ 56 , 57 ] Aditif tidak harus merupakan material yang berbeda dengan donor dan akseptor inang, Wang et al. menumbuhkan polikristal polimer melalui metode difusi uap dan digunakan sebagai aditif untuk mengatur kristalinitas dan agregat molekuler dari donor dan akseptor secara efektif. [ 56 ] Polikristal polimer skala nano ditemukan memicu organisasi molekuler pada kandungan padatan yang lebih rendah, sehingga memperpanjang seluruh waktu kristalisasi untuk meningkatkan tatanan struktural.

Wang et al. [ 58 ] mengembangkan pendekatan inovatif untuk mengatur tatanan molekuler donor polimer, di mana mereka merancang dan menambahkan INMB-F elektronegatif ke dalam berbagai donor polimer elektropositif, termasuk PM6, D18-Cl, dan PTB7-Th. Gaya elektrostatik yang dihasilkan antara INMB-F dan donor polimer menghasilkan tatanan struktural dan pengangkutan muatan yang ditingkatkan, sehingga meningkatkan efisiensi dan stabilitas perangkat. Mereka melanjutkan dengan mengadopsi 1-fluoronaftalena (FN) sebagai aditif ke dalam lapisan akseptor L8-BO, menemukan bahwa FN bertindak sebagai jembatan molekuler untuk meningkatkan konjugasi antara molekul L8-BO, sehingga menghasilkan pembentukan fibril L8-BO. ​​[ 59 ] Deposisi fibril pada donor D18 (diproses dengan pelarut CF), menghasilkan OSC efisiensi 19% dengan lapisan aktif jaringan fibrilar yang jelas, yang merupakan peningkatan dibandingkan efisiensi 16% dari perangkat BHJ dan P-BHJ tradisional tanpa aditif. Hasil-hasil ini menunjukkan keuntungan komponen fibrilar dalam lapisan fotoaktif dalam meningkatkan arus hubung singkat dan faktor pengisian. Selain itu, hal ini juga menggambarkan bagaimana pemrosesan film P-BHJ menyediakan jendela untuk melakukan pra-optimalisasi kristalinitas bahan [ 60 , 61 ] dengan memperlakukan film donor sebelum pengendapan akseptor dan pembentukan lapisan aktif. Selain itu, unit-unit terkonjugasi dalam struktur molekuler dapat memandu molekul akseptor untuk lebih lanjut merakit diri dalam perancah donor, kemudian menginduksi pengaturan dan kristalisasi molekuler, yang semuanya akan mempengaruhi lapisan aktif secara signifikan.

Kontrol suhu merupakan faktor kritis dalam pemrosesan film P-BHJ, yang menunjukkan efek nyata pada aspek SIPS dan morfologi film akhir. [ 62 – 64 ] Seperti yang digambarkan dalam Gambar 2d , memvariasikan suhu substrat selama pemrosesan menyebabkan pemisahan fase dan evolusi morfologi yang berbeda dalam film yang diproses LBL. Pada suhu yang lebih rendah, morfologi seperti BHJ terbentuk di mana kedua molekul bercampur sepenuhnya, menciptakan domain kecil dari setiap molekul. Saat suhu meningkat secara bertahap, pemisahan fase dan morfologi seperti PHJ muncul. Suhu yang berlebihan (>60 °C) akan menyebabkan waktu pengeringan pelarut yang pendek (yang dalam kasus ini adalah CF) dan permeasi yang tidak mencukupi, sehingga menghasilkan area antarmuka donor/akseptor yang lebih rendah dan pemisahan eksiton yang buruk. [ 65 ] Suhu optimal, biasanya sekitar 45 °C, menghasilkan film dengan distribusi fase vertikal optik yang dicirikan oleh efek pin yang jelas dan kemurnian domain yang ditingkatkan, yang mendukung transportasi muatan dan ekstraksi pembawa yang efisien. Perlakuan pasca vakum telah terbukti mengoptimalkan migrasi molekul dalam film yang mengarah ke distribusi fase vertikal yang terdefinisi dengan baik. [ 66 ] Hal ini memungkinkan difusi timbal balik antara komponen dalam film dari larutan ke keadaan padat, mendorong jaringan interpenetrasi fase terpisah skala nano di lapisan aktif. [ 67 ] Selain itu, unit terkonjugasi serupa antara struktur molekuler di donor dan akseptor dapat memfasilitasi perakitan dan penataan ulang molekul selama penetrasi larutan dalam pemrosesan LbL, yang dapat mengubah pengepakan dan kristalisasi molekuler, [ 68 ] sehingga memengaruhi morfologi dalam lapisan aktif. Pemisahan fase vertikal ini dapat membuat lapisan aktif yang lebih stabil secara termodinamika daripada BHJ sambil mempertahankan kemampuan pengumpulan muatan.

2.3 Morfologi pada Lapisan Aktif P-BHJ
Kontrol morfologi dalam lapisan aktif memiliki dampak signifikan pada pengangkutan dan rekombinasi muatan dan telah terbukti menjadi kunci untuk mengatur kinerja OSC. Pemrosesan LbL dapat mengakomodasi ruang parameter yang diperluas untuk membangun morfologi yang lebih ideal daripada metode BHJ tradisional, dan mencapai struktur pin dan antarmuka bertahap. [ 69 ] Jiang et al., [ 70 ] membandingkan perilaku morfologi dalam lapisan aktif P-BHJ tradisional dan diproses LbL berdasarkan PM6:N3, melalui karakterisasi grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) (lihat Gambar 3a,b ). Mereka menemukan tatanan molekuler yang menguntungkan terjadi dalam film P-BHJ bersama dengan peningkatan pemisahan fase dan kristalinitas PM6 dan N3. Li et al. [ 59 ] mengungkapkan wawasan menarik tentang peran molekul D18 dan FN terkonjugasi dalam menginduksi pembentukan agregat fibril dalam NFA L8-BO. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3d,e , sementara film BHJ memiliki dispersi acak D18 dan L8-BO, film LbL menunjukkan lapisan atas fibrilar kaya L8-BO yang berbeda, distribusi vertikal seperti pin ini memiliki keuntungan dari pengumpulan muatan yang efisien karena morfologi meminimalkan rekombinasi sambil mempertahankan pemisahan muatan yang efisien. Temuan serupa juga muncul dalam film berdasarkan PM6:PY-V-γ; seperti yang terlihat pada Gambar 3f , film P-BHJ menunjukkan lebih banyak fitur fibrilar dibandingkan film BHJ dari gambar mikroskop gaya atom (AFM). [ 71 ] Analisis hamburan sinar-X sudut kecil insiden penggembalaan (GISAXS) menunjukkan pemisahan fase yang sedikit diperbesar dalam film P-BHJ dibandingkan dengan film BHJ (lihat Gambar 3c ), [ 55 , 59 ] yang menunjukkan potensi pemrosesan LbL dalam membangun antarmuka dan morfologi yang optimal. Lebih jauh lagi, jenis morfologi fibrilar ini diperkirakan bertindak sebagai jaringan 3D untuk memungkinkan pengangkutan muatan.
Gambar 3
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Karakterisasi morfologi. Pola GIWAXS 2D dari film PM6:N3:PC 71 BM dengan arsitektur a) BHJ dan b) P-BHJ. (Diperbanyak dengan izin. [ 70 ] Hak cipta 2021, Springer Nature). c) Pola GISAXS 2D dari D18:L8-BO dengan arsitektur BHJ dan P-BHJ. Gambar mikroskop gaya terinduksi foto (PiFM) dari film d) D18:L8-BO BHJ dan e) D18/L8-BO P-BHJ yang diambil gambarnya pada 1532 cm −1 untuk penyaringan L8-BO. ​​(Diperbanyak dengan izin. [ 59 ] Hak cipta 2023, Wiley-VCH). f) Gambar AFM dari film BHJ dan P-BHJ. (Diperbanyak dengan izin. [ 71 ] Hak cipta 2022, Wiley-VCH). Spektrum PL dari film dengan arsitektur g) BHJ dan h) P-BHJ. (Direproduksi dengan izin. [ 70 ] Hak cipta 2021, Springer Nature). i) Profil kedalaman dari pengukuran XPS PM6:L8-BO BHJ dan PM6/L8-BO P-BHJ. (Direproduksi dengan izin. [ 72 ] Hak cipta 2024, Springer Nature).
Berbeda dengan pendekatan BHJ tradisional, morfologi seperti pin pada lapisan aktif P-BHJ menawarkan rute untuk mengoptimalkan kinerja OSC. Hasil dari spektroskopi fotoluminesensi (PL) (ditunjukkan pada Gambar 3g,h ) menunjukkan ketergantungan arah di mana sinyal donor (600–800 nm) dapat diamati dari sisi belakang tetapi tidak ada dari sisi depan dalam film P-BHJ yang diproses LbL; sebaliknya, PL didominasi oleh akseptor (800–1100 nm) dari kedua sisi dalam film BHJ. [ 70 ] Studi ini menunjukkan perbedaan dalam struktur vertikal antara film BHJ tradisional dan film P-BHJ. Gambar 3i selanjutnya mengungkap profil distribusi fase vertikal seperti pin dalam lapisan aktif yang diproses LbL dengan teknik spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) etsa dalam. [ 72 ] Pengukuran spektrometri massa ion sekunder time-of-flight (ToF-SIMS) dengan melacak Se 2− dalam molekul T9SBN-F menunjukkan bahwa kandungan akseptor diperkaya di dekat katode dan kandungan donor diperkaya di dekat anoda, yang mencerminkan distribusi komposisi gradien yang terjadi dalam film P-BHJ. [ 69 , 73 , 74 ] Sedangkan, dalam BHJ proporsi Se konsisten di seluruh heterojunction. Investigasi ini tidak hanya menjelaskan fitur antarmuka bertahap dan distribusi vertikal optik dalam pemrosesan LbL tetapi juga menunjukkan bahwa struktur seperti pin memiliki potensi untuk meningkatkan pemisahan muatan, seperti yang dinyatakan sebelumnya.

Melalui penyelidikan terhadap pendekatan fabrikasi LbL menggunakan pelarut dengan titik didih yang bervariasi, ditemukan bahwa interpenetrasi antara donor dan akseptor dalam pelarut titik didih tinggi membutuhkan waktu lebih lama, sedangkan kebalikannya terjadi pada pelarut titik didih rendah. Oleh karena itu, dimungkinkan juga untuk menyempurnakan struktur vertikal dan morfologi film dengan menyesuaikan pelarut akseptor. [ 75 ] Lebih jauh lagi, memanipulasi komponen dalam pelarut pemrosesan untuk lebih menyempurnakan interdifusi membuat distribusi gradien kristalinitas yang terdefinisi dengan baik dan jalur dalam lapisan aktif, yang dapat membantu pengangkutan dan pengumpulan muatan dalam perangkat, dan memungkinkan PCE OSC film tebal yang terpuji (16,0% untuk 500 nm). [ 76 ] Strategi doping juga dapat digunakan dalam pemrosesan LbL untuk meningkatkan kinerja perangkat. [ 77 ] Jika molekul dopan hanya dapat berdifusi dalam fase tertentu, metode BHJ blend-cast tidak dapat memisahkan dopan ke fase tunggal, sehingga menghasilkan peningkatan rekombinasi. Namun, pada perangkat P-BHJ yang diproses LbL, molekul dopan dapat ditambahkan ke fase tertentu sebelum pengendapan dengan menggabungkannya ke dalam larutan donor atau akseptor. Bo et al. [ 78 ] menggunakan poli(9-vinilkarbazol) (PVK) sebagai dopan tipe-n pada lapisan akseptor elektron untuk meningkatkan transpor muatan dan difusi eksiton, sehingga meningkatkan efisiensi OSC yang diproses LbL. Mereka selanjutnya menunjukkan strategi aditif padat berlapis pada OSC yang diproses LbL, di mana FeCl3 meningkatkan transpor lubang pada lapisan donor dan PFO meningkatkan morfologi pada lapisan akseptor, sehingga mengoptimalkan transpor muatan dan menekan rekombinasi untuk menghasilkan efisiensi perangkat yang lebih baik. [ 79 ]

3 Fisika Perangkat OSC P-BHJ
Deposisi film berurutan memungkinkan struktur bertahap dengan efek pin di lapisan aktif, yang berpotensi meningkatkan dinamika eksiton dan muatan, dan pada akhirnya meningkatkan kinerja perangkat. [ 80 ]

3.1 Pembentukan dan Difusi Eksiton
Dengan mengendalikan morfologi dan distribusi vertikal secara tepat selama pemrosesan LbL, heterojunction yang lebih teratur dengan pengepakan molekuler yang ditingkatkan dapat terbentuk. Struktur ini menyebabkan perubahan yang jelas pada sifat optik dengan spektrum penyerapan pergeseran merah yang sedikit dan koefisien penyerapan yang lebih tinggi, yang menunjukkan peningkatan konversi foton dan pembangkitan eksiton dalam film P-BHJ. [ 70 ] Gambar 4a,b menunjukkan laju penyerapan yang dihitung dari konstanta optik yang diukur dalam struktur BHJ dan P-BHJ dari sistem PM6 dan Y6, dengan P-BHJ menunjukkan profil penyerapan yang lebih unggul daripada BHJ untuk sistem ini. [ 81 ] Lebih lanjut, ini menunjukkan perbedaan morfologi film antara BHJ dan P-BHJ, seperti yang disebutkan di bagian sebelumnya. Analisis spektrum penyerapan cahaya bergantung kedalaman film (FLAS) memberikan wawasan berharga tentang perbedaan distribusi vertikal dalam film BHJ dan P-BHJ. Gambar 4c,d menggambarkan distribusi laju pembentukan eksiton dalam perangkat yang menggunakan lapisan aktif PM6:L8-BO, yang disimulasikan secara numerik berdasarkan data FLAS bersama dengan model optik matriks transfer yang dimodifikasi, [ 82 ] yang menunjukkan bahwa panjang gelombang cahaya yang lebih panjang dapat menembus lebih dalam ke lapisan aktif dan menghasilkan eksiton di dekat kontak bawah pada perangkat P-BHJ. Disarankan bahwa laju pembentukan eksiton dalam film P-BHJ, melampaui film BHJ tradisional di kisaran 600 hingga 900 nm, dan terwujud sebagai peningkatan efisiensi kuantum eksternal (EQE) dan J SC . [ 52 ]
Gambar 4
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Simulasi laju penyerapan foto dalam OSC berbasis a) BHJ dan b) P-BHJ dengan ketebalan lapisan aktif 120 nm. (Diperbanyak dengan izin. [ 81 ] Hak cipta 2020, Elsevier). Kontur pembangkitan eksiton terhitung dalam film c) BHJ dan d) P-BHJ. (Diperbanyak dengan izin. [ 52 ] Hak cipta 2022, Wiley-VCH). Pendinginan PL untuk film e) BHJ dan f) P-BHJ yang dilapisi dengan lapisan C60. (Diperbanyak dengan izin. [ 70 ] Hak cipta 2021, Springer Nature). Garis besar skema struktur lapisan aktif g) P-BHJ dan h) BHJ dan proses pembawa yang sesuai.
Seperti yang disajikan dalam Gambar 4g , setelah menyerap foton untuk menghasilkan eksiton dalam lapisan aktif, eksiton pertama-tama (i) berdifusi ke antarmuka donor/akseptor, kemudian (ii) membentuk keadaan transfer muatan dengan mentransfer elektron (lubang) dari donor (akseptor) ke fase akseptor (donor), dan (iii) terdisosiasi menjadi pembawa muatan bebas yang kemudian diangkut ke elektroda yang sesuai. Eksiton yang dihasilkan dalam lapisan aktif P-BHJ yang diproses LbL dapat memiliki disosiasi yang efisien karena eksiton dengan panjang difusi yang panjang. [ 70 , 83 ] Efisiensi disosiasi eksiton bergantung pada morfologi dan karakteristik campuran, termasuk pembentukan jaringan yang saling menembus. Jen et al. [ 70 ] mengusulkan bahwa panjang difusi eksiton yang lebih panjang ada dalam domain film P-BHJ, yang diuntungkan oleh morfologi film yang ditingkatkan dengan efek pin. Panjang difusi eksiton yang lebih panjang ( L D ) sebesar 17,07 nm diamati pada P-BHJ dibandingkan dengan padanan BHJ ( L D = 7,53 nm), dan jarak difusi eksiton yang lebih panjang ini meningkatkan efisiensi disosiasi eksiton pada lapisan aktif, yang disarankan untuk berkontribusi dalam meningkatkan efisiensi perangkat LbL hingga 17,42%. Sebaliknya, panjang difusi eksiton yang lebih pendek dalam domain lapisan aktif BHJ PM6:N3:PC 71 BM secara substansial membatasi efisiensinya hingga 16,44%. Panjang difusi yang meningkat yang diamati dalam NFA memungkinkan eksiton yang dihasilkan dalam fase akseptor untuk berdifusi melintasi domain yang lebih besar, tanpa mengorbankan efisiensi pembangkitan muatan. Panjang difusi yang lebih panjang telah diamati pada lapisan aktif P-BHJ dibandingkan padanan BHJ. [ 62 ]

3.2 Dinamika Muatan dan Kehilangan Rekombinasi
P-BHJ gradual seperti jarum dapat membantu menghindari pembentukan domain non-interkalasi dan kontak langsung antara elektroda anoda (katoda) dan komponen akseptor (donor) (seperti pada Gambar 4g ), [ 84 ] masing-masing meningkatkan pengangkutan dan pengumpulan muatan dan mengurangi rekombinasi permukaan yang tidak diinginkan (yaitu, ekstraksi pembawaan minoritas oleh elektroda). Telah dikemukakan bahwa antarmuka gradual yang dioptimalkan dan distribusi fase vertikal dapat mengurangi ketidakteraturan energetik, yang mengarah ke DOS yang lebih sempit; sebagai hasilnya, level kuasi-Fermi elektron yang sesuai (𝐸 Fn ) dan level kuasi-Fermi lubang (𝐸 Fp ) di P-BHJ pada akhirnya dapat digeser ke atas dan ke bawah, masing-masing, mengurangi kehilangan V OC yang disebabkan oleh ketidakteraturan. [ 85 ] Melalui analisis eksiton lokal fotoeksitasi (LE), eksiton singlet terdelokalisasi (DSE) dan keadaan terpisah muatan (CS) (lihat Gambar 5a,b ), ditunjukkan bahwa karena karakter spin keadaan transfer muatan, pembawa muatan rekombinasi kemungkinan besar membentuk eksiton triplet berenergi terendah (T1), yang menyebabkan kehilangan arus foto non-radiatif. Lapisan aktif P-BHJ mengurangi kehilangan ini dengan pemisahan fase yang ditingkatkan yang meningkatkan laju disosiasi keadaan transfer muatan antarmuka sambil menekan kejadian rekombinasi non-geminat. Penekanan ini menurunkan kemungkinan pembentukan T1 dan dengan demikian membatasi perubahan relaksasi melalui keadaan ini. [ 74 ] Lebih jauh lagi, domain donor dan akseptor yang lebih jelas dalam P-BHJ memfasilitasi ekstraksi muatan yang lebih efisien sebelum rekombinasi non-geminat terjadi, yang selanjutnya mengurangi pembentukan eksiton triplet.
Gambar 5
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Profil penyerapan transien (TA) dari film a) D18:T9SBN-F BHJ dan b) D18/T9SBN-F P-BHJ. (Diperbanyak dengan izin. [ 74 ] Hak cipta 2022, Springer Nature). Analisis kehilangan energi total terperinci untuk perangkat c) BHJ dan perangkat d) P-BHJ berdasarkan iluminasi AM 1,5 G, 100 mW cm −2 . e) Kehilangan Transport yang sesuai, Kehilangan penyerapan dan efisiensi kuantum internal (IQE), Kehilangan V OC , dan Kehilangan FF. f) FF dalam batas Shockley-Queisser (SQ) [ 89 ] terdiri dari kehilangan transport muatan dan kehilangan nonradiatif dari perangkat BHJ yang dioptimalkan versus perangkat P-BHJ, masing-masing. (Gambar direproduksi dengan izin dari, [ 71 ] Hak cipta 2022, Wiley-VCH).
Analisis yang lebih mendalam dapat diperoleh melalui parameter fisik perangkat. Seperti yang digambarkan dalam Gambar 5c,d , perangkat P-BHJ menunjukkan efisiensi pembangkitan muatan yang lebih tinggi daripada pada perangkat BHJ, konsisten dengan PCE yang lebih tinggi pada perangkat P-BHJ. Terdapat kehilangan transmisi yang berkurang (Kehilangan Tran. pada Gambar 5e ) pada OSC P-BHJ, yang dapat dikaitkan dengan sedikit pergeseran merah dalam penyerapan melalui pemrosesan LbL. Dengan memanfaatkan struktur lapisan aktif P-BHJ untuk meningkatkan laju disosiasi eksiton dan efisiensi pemisahan, kehilangan penyerapan dan IQE (kehilangan IQE Abs. pada Gambar 5e ) berkurang dari 19,5 mW cm −2 untuk perangkat BHJ menjadi 17,9 mW cm −2 untuk perangkat P-BHJ. Karena peningkatan penyerapan cahaya dan peningkatan difusi eksiton, OSC P-BHJ menunjukkan kehilangan energi yang lebih rendah di mana kehilangan V OC lebih kecil daripada BHJ seperti yang disebutkan di atas, dan pengepakan reguler dan struktur orde lebih tinggi dalam perangkat P-BHJ juga dapat menekan getaran molekuler dan rekombinasi non-radiatif, sehingga menghasilkan kehilangan V OC yang berkurang . [ 86 ] Juga disarankan bahwa pengurangan kehilangan non-radiatif terjadi karena rekombinasi asisten perangkap yang ditekan dalam morfologi film P-BHJ: sementara mobilitas pembawa yang ditingkatkan dan lebih seimbang dalam lapisan aktif P-BHJ mengurangi kehilangan transpor muatan dan menghasilkan FF yang lebih tinggi (lihat pada Gambar 5f ). [ 87 , 88 ] Selain itu, telah dilaporkan bahwa perangkat LbL memiliki resistansi seri yang lebih kecil ( R s ) dan resistansi shunt yang lebih besar ( R sh ), yang juga bermanfaat untuk pengumpulan muatan dan mencapai FF yang lebih tinggi. [ 71 ]

3.3 Pendekatan dan Analisis Komputasional
Pendekatan komputasional telah menjadi landasan penelitian OSC selama beberapa dekade, dengan banyak metode yang digunakan untuk mengeksplorasi efek morfologi lapisan aktif pada berbagai skala panjang. Dalam pendekatan ini, sifat morfologi seperti pengepakan molekuler dan ketidakteraturan energi telah diselidiki, serta proses pembangkitan muatan kinetik seperti migrasi dan pemisahan eksiton (melalui pembentukan status transfer muatan antarmuka), dan pemisahan, transportasi, dan ekstraksi muatan. Mempertimbangkan proses ini pada skala molekuler memberikan gambaran tentang bagaimana interaksi antara molekul yang tereksitasi pada akhirnya dapat menentukan kinerja OSC.

Biasanya, pendekatan komputasi yang berbeda berlaku untuk skala panjang yang berbeda di OSC, dengan simulasi multiskala sering menggabungkan beberapa pendekatan untuk pandangan holistik dari proses pembangkitan muatan. [ 90 ] Pada skala yang lebih kecil, geometri, susunan, dan pengepakan molekul dapat dieksplorasi menggunakan teknik seperti simulasi dinamika molekul (MD), yang dapat memberikan wawasan ke dalam gangguan energi dari fase donor dan akseptor, [ 91 ] dengan gangguan energi yang berkurang umumnya berkorelasi dengan berkurangnya kerugian tegangan sirkuit terbuka, [ 92 ] dan kinerja OSC yang lebih tinggi. [ 93 , 94 ] Teknik serupa seperti simulasi teori fungsi kerapatan (DFT) yang bergantung waktu juga dapat memberikan wawasan ke dalam struktur, kristalinitas, dan energi keadaan tereksitasi molekul. [ 95 ] Simulasi berbasis DFT dapat digunakan untuk memperkirakan tingkat energi orbital molekul paling tinggi yang terisi (HOMO) dan orbital molekul paling rendah yang tidak terisi (LUMO) dari molekul donor dan akseptor, [ 96 ] serta kopling antara eksiton dan keadaan CT. [ 97 – 100 ] Meskipun harus dicatat bahwa tingkat energi HOMO dan LUMO yang diperoleh menggunakan pendekatan DFT terutama untuk molekul dalam fase gas. [ 101 ] Nilai-nilai ini tampaknya ditentukan lebih akurat menggunakan teknik seperti spektroskopi fotoelektron ultraviolet dan voltametri siklik. [ 101 , 102 ] Perbedaan antara tingkat energi ini untuk molekul donor dan akseptor, bersama dengan kopling terkait, akan memengaruhi laju proses kinetik seperti transfer elektron dari donor ke akseptor dan transfer lubang dari akseptor ke donor. [ 7 ]

Pendekatan yang memodelkan molekul individual seperti MD dan DFT umumnya menjadi komputasi yang mahal pada skala perangkat, di mana jumlah molekul dan interaksinya menjadi terlalu besar. [ 99 ] Pada skala ini, pemisahan fase dan distribusi daerah donor dan akseptor di lapisan aktif BHJ (dan daerah intermixed perangkat P-BHJ) dapat disimulasikan menggunakan teknik numerik yang kurang rinci seperti model Ising, [ 103 , 104 ] di mana lapisan aktif didiskritisasi menjadi kisi situs dengan spin diskrit yang sejajar saat waktu simulasi berlangsung. Meskipun teknik ini tidak memiliki nuansa pendekatan atomistik dan MD karena mengabaikan interaksi antara molekul.

Setelah distribusi situs donor dan akseptor dan lanskap energetik dan kinetik terkait telah ditetapkan, pendekatan in-silico lainnya dapat digunakan untuk mengkarakterisasi kinerja OSC. Salah satu contoh yang telah diterapkan secara luas selama beberapa dekade adalah simulasi kinetik Monte Carlo (kMC), [ 105 – 107 ] yang dapat memprediksi parameter yang dihasilkan seperti konstanta laju rekombinasi bimolekuler dan mobilitas, sambil memperhitungkan kopling skala nano antara situs, efek polaronik, dan probabilitas peluruhan spasial. [ 108 , 109 ] Secara umum, penggambaran proses pengangkutan muatan dalam OSC tidak teratur yang ditawarkan oleh pendekatan kMC lebih akurat daripada pendekatan skala makro seperti pemodelan drift-difusi elemen hingga atau model rangkaian ekuivalen, meskipun hal itu mengorbankan biaya komputasi yang lebih tinggi. [ 108 ]

Pendekatan multiskala telah digunakan untuk mengeksplorasi manfaat morfologi P-BHJ atau yang serupa. Terutama, simulasi optik telah digunakan untuk menyelidiki perbedaan antara morfologi P-BHJ dan BHJ, [ 81 , 110 ] meskipun penyelidikan yang memperhitungkan energetika dan kinetika yang ditawarkan oleh morfologi yang berbeda telah dilakukan. [ 111 ] Sebuah penyelidikan tentang efek eksiton yang tidak mengalami termal – atau panas – juga dilakukan oleh Upreti et al. menggunakan morfologi lapisan aktif berbentuk corong, [ 112 ] yang menyerupai P-BHJ dalam struktur seperti pin (dengan akseptor di dekat katode dan donor di dekat anoda); seperti yang disebutkan sebelumnya, struktur ini dapat meningkatkan efisiensi penggunaan pembawa. [ 69 , 73 ]

Di tahun-tahun mendatang, pendekatan multiskala akan terus memajukan pemahaman masyarakat tentang bagaimana susunan molekul dan keadaan tereksitasinya akan memengaruhi kinerja OSC, di mana pertimbangan morfologi seperti penumpukan, orientasi, dan komposisi molekul dapat dikombinasikan dengan pertimbangan optik dan model perangkat skala besar seperti difusi-pergerakan.

3.4 Stabilitas Perangkat
OSCs often face stability issues due to the diffusion of molecules of various layers under heat and light stress.[85] The initial phase-separated morphology can be compromised as the materials self-aggregate, forming too large domains that degrade the performance of the OSCs.[113] This can be partially mitigated in LbL processed P-BHJ OSCs with optimized heterojunction absorbers, which are inherently more robust due to improved donor/acceptor phase separation with more interface area. Additionally, these OSCs provide a window to optimize the assembly of the materials before making devices, rather than directly blending materials without treatment, resulting in enhanced morphological control. By precisely controlling interfacial properties and intermixing between donor and acceptor materials, LBL film processing can achieve more ordered heterojunctions and optimized phase separation,[13, 29] thus increasing the thermodynamic stability, reducing the degradation process, and enhancing device stability. Some materials used in OSCs tend to form large aggregates in the active layer over time, which worsens the morphology.[114] The enhanced stability of P-BHJ OSCs demonstrates superior long-term photostability and thermal stability compared to conventional BHJ OSCs. Morphological studies of both fresh and aged films via optical microscopy (OM) and AFM indicate that P-BHJ structures are far more resilient than their BHJ counterparts. As illustrated in Figure 6a,b, aged BHJ films exhibit micron-scale phase separation and excessive segregation in donor and acceptor domains. In contrast, P-BHJ films display considerably less morphological degradation under both photo and thermal stress. As we can see in Figure 6c,g, the LbL processed P-BHJ film has not changed significantly after photo annealing, exhibiting robust morphological stability. However, the traditional BHJ film shows obvious film morphological evolution, which can be seen from the dots in the OM images and the high roughness changes in the AFM images in Figure 6d,h, reflecting the weak morphological photostability of the traditional BHJ film. Further thermal stability tests in Figure 6f,j show that the traditional BHJ film will undergo severe morphological changes, which may be the reason why the BHJ device performance shows poor thermal stability. Although the P-BHJ film also suffers morphological changes, these are generally much milder compared to the BHJ film (see Figure 6e,i). Karena degradasi yang lebih lambat, kerugian PCE jangka panjang yang lebih kecil diperoleh di P-BHJ, relatif terhadap rekan BHJ yang sesuai seperti yang diamati di delapan sistem akseptor non-fullerene (NFA) lainnya. [ 115 ]
Gambar 6
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Perbandingan morfologi dan stabilitas jangka panjang P-BHJ dan BHJ. Perbandingan agregasi fase dalam arsitektur a) BHJ dan b) P-BHJ; Gambar OM dan AFM yang sesuai dari film c, e) P-BHJ segar dan film d, f) BHJ. Perbandingan morfologi film g) P-BHJ dan (h) BHJ yang terdegradasi foto dan film i) P-BHJ dan j) BHJ yang terdegradasi termal. (Direproduksi dengan izin. [ 115 ] Hak cipta 2024, Elsevier). kn) Nilai V OC , J SC , FF, dan PCE yang dinormalisasi versus waktu iluminasi lebih dari 500 jam untuk OSC berbasis BHJ dan P-BHJ. (Direproduksi dengan izin. [ 85 ] Hak cipta 2019, The Royal Society of Chemistry).
Perbandingan stabilitas parameter fotovoltaik spesifik dalam perangkat BHJ dan P-BHJ layak dipelajari dan memberikan wawasan yang cukup. Gambar 6k-n menunjukkan perubahan parameter fotovoltaik OSC, [ 85 ] di mana perangkat P-BHJ lebih stabil daripada BHJ; PCE menurun hingga 68% dari nilai awalnya dalam 500 jam dalam BHJ tetapi hanya 85% dalam P-BHJ. Secara khusus, J SC dan FF dalam BHJ menunjukkan penurunan yang paling menonjol (Gambar 6k ), sementara stabilitas FF dan J SC dari OSC P-BHJ secara komparatif lebih stabil, yang dapat dikaitkan dengan struktur lapisan aktif yang ditingkatkan dan morfologi yang lebih stabil. Perlu dicatat bahwa dari Gambar 6n , dapat ditemukan bahwa V OC dari OSC BHJ dan P-BHJ hampir sama, yang menunjukkan antarmuka dirancang dengan baik dan kontak dioptimalkan dalam kedua kasus. Selain itu, perangkat P-BHJ juga menunjukkan stabilitas termal yang lebih baik daripada BHJ dengan morfologi yang hampir tidak berubah setelah pemanasan pada suhu 120 °C selama 1500 jam dalam kasus ini. [ 85 ]

Untuk menghambat difusi molekuler yang tidak teratur, yang biasanya menghasilkan hilangnya kristalinitas di domain akseptor, komponen ketiga biasanya diperkenalkan: misalnya, akseptor tamu dapat membuat akseptor seperti paduan dengan akseptor inang. [ 116 , 117 ] Akseptor seperti paduan ini meningkatkan kristalinitas fase akseptor dengan mempromosikan pengemasan molekuler yang lebih teratur, secara efektif menekan hilangnya kristalinitas NFA yang disebabkan oleh difusi molekuler selama penerangan, yang meningkatkan stabilitas morfologi di bawah operasi. [ 117 ] Selain itu, memperkenalkan donor atau akseptor lain ke dalam lapisan donor dan akseptor yang berbeda, masing-masing, juga merupakan cara yang baik untuk mewujudkan morfologi lapisan aktif yang ideal dan stabil.

4 Arah dan Aplikasi Masa Depan
Pemrosesan LBL dari bahan donor dan akseptor menjadi P-BHJ menciptakan jalur yang terdefinisi dengan baik untuk pengangkutan muatan, meminimalkan lokasi rekombinasi, dan berpotensi untuk meningkatkan mobilitas dan pengumpulan muatan. Selain itu, peningkatan stabilitas termodinamika struktur P-BHJ meningkatkan stabilitas perangkat OSC, yang penting untuk produksi. OSC baru-baru ini mencapai PCE tinggi pada skala area kecil (cm 2 ), sementara penelitian saat ini bertujuan untuk mengatasi tantangan dalam memperluas efisiensi ini ke area yang lebih besar dan skala modul. [ 118 , 119 ] Pemrosesan LbL tidak hanya menjanjikan untuk menjembatani kesenjangan dari skala kecil ke skala modul, tetapi juga dapat membantu fabrikasi OSC yang stabil.

4.1 Fabrikasi Ramah Lingkungan
Pelarut nonhalogenasi lebih disukai untuk produksi OSC skala industri area besar, karena toksisitasnya yang minimal. [ 120 , 121 ] Dalam fabrikasi perangkat P-BHJ, pertimbangan rasio komponen dan pelarut co-processing tidak diperlukan, menjadikan proses ini kondusif untuk operasi baik di laboratorium maupun pengaturan industri, khususnya cocok untuk pembuatan perangkat area besar. [ 122 ] Yan et al. [ 123 ] melaporkan pemanfaatan pelarut ramah lingkungan untuk membuat OSC yang mencapai efisiensi melebihi 19% melalui penggabungan perawatan film tambahan di celah antara donor dan akseptor dalam pemrosesan LbL, memposisikan pemrosesan LbL sebagai strategi yang menjanjikan dalam OSC yang diproses dengan pelarut hijau. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a , penggunaan pelarut (R)-(+)-limonene (LM) dan 2-Methyltetrahydrofuran dalam LbL memungkinkan OSC yang ramah lingkungan dan dapat berasal dari sumber hayati terbarukan. [ 124 ] Lebih jauh lagi, air bahkan telah digunakan sebagai pelarut dalam persiapan komponen donor polimer dari perangkat P-BHJ, yang mencapai PCE sebesar 19%, meskipun akseptornya masih menggunakan pelarut organik.
Gambar 7
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Potensi dalam fabrikasi perangkat. a) Ilustrasi protokol deposisi sekuensial ramah lingkungan untuk fabrikasi perangkat. (Diperbanyak dengan izin. [ 124 ] Hak cipta 2019, Wiley-VCH). b) Skema visual dari slot-die berlapis LbL. c) Gambar kamera dari substrat kaca berlapis ITO berpola (strip 10 cm), dan berbagai film berlapis slot-die dari lapisan bawah (film PEDOT:PSS) hingga lapisan atas (film PFN-Br) dalam kondisi sekitar. d) Gambar kamera dari perangkat berlapis slot-die setelah deposisi elektroda perak. (Diperbanyak dengan izin. [ 126 ] Hak cipta 2023, Wiley-VCH).

4.2 Perangkat Area Luas
Perangkat yang dibuat melalui pelapisan bilah LbL menunjukkan PCE yang ditingkatkan dibandingkan dengan yang diproduksi melalui pelapisan bilah campuran dan menunjukkan fleksibilitas metode pelapisan LbL setelah membandingkan beberapa sistem. Strategi LbL ini diperluas lebih lanjut untuk menyiapkan modul perangkat dengan area fotoaktif yang lebih besar. Khususnya, PCE modul perangkat P-BHJ, dengan area efektif 11,52 cm 2 , mencapai 11,86%, melampaui efisiensi perangkat BHJ sebesar 10,15%. [ 81 ] Gambar 7b menunjukkan penggunaan slot-die untuk melapisi lapisan transpor lubang (PEDOT:PSS), lapisan aktif yang diproses LbL (dengan pelapisan PM6 dan Y6C12 secara berurutan), dan lapisan transpor elektron (PFN-Br). Seperti yang ditunjukkan dalam gambar film di setiap langkah yang ditunjukkan pada Gambar 7c , morfologi film yang baik mendukung kelayakan metode persiapan ini; OSC berlapis semua slot-die yang sesuai (lihat Gambar 7d ) menggunakan pelarut ramah lingkungan dalam kondisi sekitar mencapai PCE sebesar 10,6%. [ 126 ] Hal ini tidak hanya menunjukkan keuntungan unik dari strategi pemrosesan LbL tetapi juga menggarisbawahi potensinya, fabrikasi mudah, dan rekayasa proses yang ditingkatkan, membuatnya cocok untuk fabrikasi perangkat area besar dan pencetakan roll-to-roll.

4.3 OSC Fleksibel
Mencapai efisiensi tinggi sambil mempertahankan kekokohan mekanis tetap menjadi tantangan bagi OSC. Pemrosesan LbL menunjukkan potensi tinggi dalam mengembangkan OSC fleksibel (FOSC) yang sangat stabil dan efisien, yang memungkinkan kontrol yang tepat atas distribusi fase vertikal dan domain donor-akseptor yang tertata dengan baik. Keunggulan ini bermanfaat untuk perangkat fleksibel, karena meminimalkan degradasi morfologi di bawah tekanan mekanis. Karena morfologi yang lebih stabil, FOSC berdasarkan PET/ITO/PEDOT:PSS/lapisan aktif/PDINO/Al mempertahankan 92% dari PCE awal setelah 2000 siklus pembengkokan pada perangkat P-BHJ, dibandingkan dengan 85% pada perangkat BHJ. [ 85 ] Selain itu, OSC yang diproses LbL memungkinkan pengendapan donor dan akseptor secara terpisah dengan ortogonalitas pelarut dan multi-selektivitas, yang penting untuk menyiapkan film pada substrat fleksibel. Dengan menyetel sifat mekanis setiap lapisan melalui pemilihan material dan kontrol pemrosesan, pemrosesan LbL dapat lebih meningkatkan fleksibilitas perangkat sambil mempertahankan PCE yang tinggi. Telah ditunjukkan bahwa FOSC yang dibuat melalui pemrosesan LbL menunjukkan perambatan retak yang lebih rendah dan kemampuan meregang yang lebih baik dibandingkan dengan FOSC BHJ, [ 127 ] yang menunjukkan potensi dalam mengembangkan FOSC dengan efisiensi tinggi untuk perangkat yang dapat dikenakan generasi berikutnya, perangkat elektronik yang dapat dilipat, dan pengisi daya surya portabel. Selain itu, ia menggunakan pelarut yang ramah lingkungan dan proses yang dapat diskalakan, memastikan bahwa FOSC dapat diproduksi di area yang luas sambil mempertahankan PCE-nya yang tinggi.

4.4 Fotovoltaik yang Bertujuan pada Aplikasi
Karena OSC yang diproses dengan LbL menawarkan kontrol morfologi film yang lebih baik dan kinerja yang dioptimalkan melalui pendekatan BHJ, OSC ini menjanjikan untuk banyak aplikasi fotovoltaik. Misalnya, salah satu aplikasi yang menjanjikan adalah mengembangkan jendela surya yang dapat dicetak, yang memerlukan perangkat yang mengoptimalkan penyerapan cahaya sambil mempertahankan transparansi. Dengan menyempurnakan komposisi dan ketebalan donor-akseptor melalui teknik LbL, OSC dapat dibuat dengan transparansi tinggi pada panjang gelombang yang berbeda (yaitu, warna yang berbeda), menjadikannya kandidat yang bagus untuk diaplikasikan di jendela dan fotovoltaik terintegrasi bangunan (BIPV) tanpa mengurangi efisiensi secara signifikan. Lebih jauh, pendekatan fabrikasi yang dapat diskalakan yang kompatibel dengan pelarut non-halogenasi yang ramah lingkungan memastikan bahwa modul area besar untuk BIPV dapat diproduksi dengan andal. Chen dkk. [ 128 ] menemukan bahwa OSC yang diproses dengan LbL menunjukkan kehilangan optik yang lebih sedikit dan nilai transmitansi tampak rata-rata (AVT) yang lebih tinggi daripada OSC yang lain, dan antarmuka DA yang ditingkatkan serta morfologi lapisan aktif yang dioptimalkan mengurangi hamburan cahaya dan penyerapan parasit, yang membantu meningkatkan pemanfaatan cahaya saat diadopsi di jendela surya. Mengintegrasikan pemrosesan LbL dengan strategi untuk meningkatkan stabilitas dapat memungkinkan aplikasi BIPV yang lebih baik. Mereka menggabungkan lapisan penyisipan lunak berpola superhidrofobik (PSIL) ke dalam enkapsulasi kaca ganda dapat menghindari hilangnya AVT dan memberikan kinerja kedap air jangka panjang.

Aplikasi lain dari OSC yang akan mendapat manfaat dari PCE yang lebih tinggi yang ditawarkan oleh pendekatan LbL adalah agrivoltaik, di mana fotovoltaik semi-transparan diintegrasikan ke dalam pengaturan pertanian seperti rumah kaca dan poli-terowongan, [ 129 , 130 ] dengan demikian mengoptimalkan penggunaan lahan sambil menyediakan daya yang dihasilkan secara lokal. Dengan menyempurnakan faktor-faktor seperti ketebalan lapisan aktif (dan daerah donor-akseptor menggunakan teknik LbL), AVT dari OSC dapat dioptimalkan agar sesuai dengan persyaratan panjang gelombang dari tanaman apa pun di bawahnya. [ 130 – 132 ] Ini tentu saja disertai dengan peringatan bahwa OSC harus mentransmisikan (yaitu, tidak menyerap) beberapa cahaya tampak dan dengan demikian menghasilkan lebih sedikit daya. Oleh karena itu, pengoptimalan sistem agrivoltaik (terdiri dari fotovoltaik dan tanaman) merupakan tantangan multi-variabel yang memerlukan keseimbangan yang rumit antara pembangkitan daya dan mempertahankan hasil panen yang tinggi. Namun demikian, transmitansi yang dapat disetel dan celah optik OSC membuatnya diinginkan untuk aplikasi ini.

Aplikasi OSC lain yang telah memperoleh daya tarik yang cukup besar dalam beberapa tahun terakhir adalah fotovoltaik dalam ruangan, [ 133 – 135 ] di mana cahaya sekitar intensitas rendah dipanen untuk memberi daya pada sensor dan perangkat komunikasi milik Internet-of-Things (IoT). Sekali lagi, celah optik OSC yang dapat disetel membuatnya sangat diinginkan karena kondisi pencahayaan dalam ruangan beragam, dengan LED, lampu fluoresen, sinar matahari, atau beberapa superposisi di atas yang ada di banyak ruang internal. [ 136 , 137 ] Sumber cahaya yang berbeda ini memiliki distribusi spektral yang unik, yang dapat memengaruhi kinerja perangkat. Misalnya, pada intensitas cahaya tetap, LED “putih hangat” memiliki lebih banyak foton merah daripada LED “putih dingin”, yang berarti bahwa PCE fotovoltaik organik dengan celah optik tertentu dapat berubah tergantung pada sumber cahayanya. [ 138 ] Untuk sebagian besar sumber cahaya dalam ruangan, bahan OSC dengan celah optik antara 1,7 dan 1,9 eV diinginkan. [ 93 ] Dengan menggunakan material ini, panel fotovoltaik dalam ruangan hanya memerlukan luas area perangkat sekitar 30 cm 2 untuk memberi daya pada sebagian besar perangkat IoT, [ 139 ] sehingga menghilangkan kebutuhan akan baterai dan kabel sekali pakai, mengurangi limbah, dan meminimalkan biaya pemeliharaan.

5 Ringkasan
Pengembangan OSC P-BHJ yang diproses LbL telah menunjukkan peningkatan dan potensi yang signifikan, termasuk PCE perangkat, stabilitas, dan penskalaan. Hal ini menggambarkan bahwa kemajuan proses film dan kontrol morfologi tidak diragukan lagi merupakan kunci untuk membuat OSC stabil berkinerja tinggi. Pemrosesan LbL menawarkan strategi kontrol morfologi yang fleksibel, menyediakan lebih banyak pendekatan untuk memanipulasi pengepakan dan agregasi molekuler dalam fase donor dan akseptor, yang menghasilkan dinamika eksiton dan pengangkutan muatan yang lebih optimal. Secara bersamaan, distribusi vertikal pin yang ditingkatkan dan antarmuka bertahap dalam lapisan aktif P-BHJ dapat memfasilitasi pengumpulan muatan yang efisien dan mengurangi kehilangan rekombinasi dalam perangkat, dengan manfaat tambahan berupa peningkatan stabilitas perangkat. Lebih jauh, dibandingkan dengan lapisan aktif BHJ tradisional, lapisan aktif P-BHJ menunjukkan degradasi morfologi yang lebih sedikit, toleransi pembengkokan yang baik, metode pemrosesan film yang fleksibel, dan telah menunjukkan harapan dalam pelapisan slot-die area besar. Gabungkan ini dengan potensi untuk fabrikasi perangkat yang lebih ramah lingkungan dan pemrosesan LBL diharapkan menjadi penting untuk evolusi berikutnya dalam fabrikasi OSC. Pemrosesan LbL dapat diaplikasikan pada sel surya tandem terner, perovskit/organik, dan fotodetektor organik. Meskipun terdapat beberapa kompleksitas pemrosesan dalam fabrikasi OSC P-BHJ dan perangkat terbalik, penyelesaiannya dapat menjadi arah penelitian berikutnya dalam OSC P-BHJ. Melalui studi lebih lanjut, perangkat P-BHJ yang diproses LbL dapat bertindak sebagai kandidat yang menjanjikan untuk mengembangkan OSC yang efisien, stabil, dan dapat diskalakan, sehingga menghasilkan kemajuan yang cukup besar dalam fabrikasi OSC, dengan peningkatan kinerja perangkat dan fabrikasi lingkungan untuk mengatasi trade-off efisiensi-stabilitas S1 .