阿卜杜拉國王科技大學Thomas團隊AM: 17%有機太陽能電池基于液相剝離WS2替代傳統的PEDOT:PSS

【前言】

近年來，得益于新型給體受體材料設計以及器件結構優化等諸多手段，有機太陽能電池的能量轉換效率得到了飛速提升。然而，有機光伏器件在實際生產和應用中依然需要面臨諸多挑戰。其中，界面層材料設計是提高有機光伏轉換效率和推進產業化的解決方法之一。目前，界面層設計大多集中于電子傳輸層，諸如ZnO, PFN-Br, 和PDINO等。但對于空穴傳輸層，目前能選擇的依然只有PEDOT:PSS(正置結構)和MoO_X(倒置結構)。其中，PEDOT:PSS是強吸濕性和酸性材料，會對ITO透明電極腐蝕并導致器件性能衰退。

【成果簡介】

近日，阿卜杜拉國王科技大學(KAUST) 林源寶(第一作者)和Thomas D. Anthopoulos (通訊作者)在Advanced Materials報道了用液相剝離法制得二維過渡金屬硫化物(TMDs)。他們發現經過簡單旋涂制備后，WS2薄片能均勻地附著在ITO襯底上，并將其作為空穴傳輸層應用于有機光伏中。最終，基于WS₂的光伏器件展現出更佳的填充因子，短路電流以及光電轉化效率。其中在PBDBT-2F:Y6:PC₇₁BM中光電轉換效率達到17%，這一效率是目前已發表的單節有機光伏的最高效率之一。

【圖文導讀】

圖1: 二維TMDs制備示意圖及相應表征。

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a) 超聲波液相剝離法制備MoS₂和WS₂溶液示意圖；

b) MoS₂和WS₂溶液的吸收光譜；

c) 利用旋涂法將MoS₂和WS₂沉積在ITO襯底示意圖；

d) ITO, ITO/WS₂和ITO/MoS₂ 的SEM-EDX mapping圖, 內嵌圖為相應的AFM

圖2: 基于各種空穴傳輸層的活性層表征。

a)-d) 各種空穴傳輸層的AFM圖；

e) AFM圖對應的表面高度直方圖；

f) ITO及各種空穴傳輸層的功函數；

圖3: 各種空穴傳輸層的光伏性能表征。

a) 器件結構示意圖；

b) 給體受體材料的化學結構；

c)-d) 光伏器件的J-V圖, 內量子和外量子效率圖；

e)-g) Voc, Jsc及Jsc/Jsat的光強依賴曲線；

g) krec和載流子濃度關系圖

圖4: 其他活性層體系的光伏性能表征。

a) 給體受體材料的化學結構；

b) 光伏器件的J-V圖；

c) 已報道的基于二維界面層的光電轉化效率對比；

d) PBDB-T-2F:Y6活性層的內量子和外量子效率圖；

e) PBDB-T-2F:Y6:PC₇₁BM活性層的內量子和外量子效率圖。

【小結】

這個工作證明了用液相法制備的WS₂納米片溶液可以在有機光伏中作為空穴傳輸層，獲得比傳統PEDOT:PSS更高的光電轉換效率。EDX mapping結果顯示，在ITO襯底上WS₂覆蓋效果比MoS₂更佳。最終, 基于WS₂空穴傳輸層的光伏器件性能優于MoS₂和傳統的PEDOT:PSS器件的原因主要是更優的光子結構和更少的雙分子復合損失。基于PBDB-T-2F:Y6:PC₇₁BM活性層體系，WS₂光伏器件的光電轉換效率達到17%，這一轉換效率是目前已發表的有機光伏器件中最高之一。這一工作證明了TMDs作為界面層并獲得高效的有機光電器件的的潛力。

文獻鏈接：17% Efficient Organic Solar Cells Based on Liquid Exfoliated WS2 as a Replacement for PEDOT:PSS （Adv. Mater. 2019, 1902965）

本文由阿卜杜拉國王科技大學Thomas團隊供稿。

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