武漢大學閔杰Energy Environ. Sci.:無界面層全小分子有機太陽能電池

【引言】

溶液法制備的有機太陽電池（OSCs）具有重量輕、成本低、色彩豐富等優點，因而被認為是最有發展前景的光伏技術之一。通常，OSC器件是由五部分組成：陽極和陰極，空穴傳輸層（HTL），電子傳輸層（ETL），以及具有體異質結（BHJ）結構的活性層（AL）。OSC的基本工作原理是，活性層吸收入射光，產生電子-空穴對并進行拆分，ETL/HTL層通過能極差產生的驅動力有選擇地提取電子或空穴。然后，自由載流子從電極中提取出，從而產生光電流。在這一光電轉換過程中，ETL和HTL在從活性層中提取和傳輸電子和空穴到陰極和陽極方面起著至關重要的作用。另外，ETL和HTL分別作為空穴阻擋層和電子阻擋層對OSC的整體器件性能也有很大的影響。

然而，越來越多的研究表明，ETL和HTL界面層通常存在著許多缺點，包括加工條件苛刻，可重復性差，易于衰減/變性，材料價格昂貴，與活性層或電極層易發生化學反應或界面物理變化等。需要說明的是，早期的OSC器件結構并沒有界面層，而是以金屬-半導體-金屬（MSM）器件結構為主。發展成為目前含有界面層的器件結構，主要是因為MSM器件中的電極與活性層材料物理性能不匹配，限制了電荷的收集。基于此，尋找新的加工方法，開發可替代的界面層材料來制備高性能OSC，也應成為OSC主要研究熱點之一。

近日，武漢大學閔杰研究員（通訊作者）報道了一種兩步溶劑處理（TSST）策略來構建高性能全小分子太陽能電池（all-SMSCs），這種電池僅由夾在兩個電極之間的活性層組成。氧化銦錫（ITO）的表面經過氯苯和紫外線處理，能夠形成降低氯化ITO陽極的功函并改善其表面能。另外，選擇甲醇溶劑處理活性層表面能夠有效提升活性層/鋁(Al)電極界面處的真空能階，并鈍化活性層的表面陷阱。因而，TSST策略通過在有機/電極界面形成凈偶極子，使電極功函發生變化，導致基于ITO-Cl/AL/Al的MSM器件形成良好的歐姆接觸，并將B1:BTP-eC9全小分子體系的效率提高到14.86%，明顯高于具有ETL和HTL的all-SMSC器件（13.92%）。另外，TSST策略在其他兩個全小分子體系中的成功應用，也證明了該方法具有良好的通用性。更為重要的是，該策略可以顯著提高all-SMSC器件的穩定性，延長ITO基底的壽命周期，降低模塊的生產成本。相關研究成果以“High-Performance All-small-molecule Organic Solar Cells without Interlayers”為題發表在Energy Environ. Sci.上。

【圖文導讀】

圖一、TSST對表面成分和電勢的影響等

（A）有無界面層OSCs器件結構示意圖；

（B）針對簡單MSM器件制造的工藝示意圖；

（C）給體材料B1和受體材料BTP-eC9的化學結構；

（D）有無表面氯化處理和含PEDOT:PSS的ITO基底的光學透射率；

（E）有無氯化處理ITO基底的XPS光譜；

（F）有無氯化處理ITO基底的UPS光譜；

（G）ITO基底的功函數及表面能；

（H，I）表面形貌的AFM圖像；

（J）表面形貌的KPFM圖像。

圖二、器件的光伏特性及其垂直形貌

（A）不同器件結構OSCs的J-V曲線；

（B）相應OSC器件的EQE光譜；

（C）25 個單獨器件的PCE分布直方圖；

（D，E）橫截面的TEM圖像和EDS元素分布圖;

（G，H）基于ITO/PEDOT:PSS/AL和ITO-Cl/AL的活性層垂直吸收譜圖;

圖三、相關器件的光學特性及其物理動力學

（A）UV-vis吸收光譜；

（B，C）吸收率的模擬譜圖；

（D）參比器件和MSM器件的暗態J-V曲線；

（E）參比器件和MSM器件的空穴遷移率及載流子遷移率；

（F）參比器件和MSM器件的瞬態光電流。

圖四、對MSM器件的進一步評估

（A，B）參比器件和MSM器件的J-V曲線；

（C，D）參比器件和MSM器件暗態儲存穩定性和光照穩定性；

（E）分別基于循環ITO和ITO-Cl基底的光伏性能；

（F）參比器件和MSM器件的最低可持續價格-模組效率函數。

【小結】

綜上所述，基于ITO基底表面氯化和甲醇處理策略對電極與活性層界面接觸的物理性能調控，開發了一種簡單的MSM器件結構。通過與全小分子體系進行匹配，發現可以有效避免全小分子太陽電池中對界面層的需求。進一步研究證實該MSM器件結構具有較強的光吸收率、合適垂直形貌以及良好的電荷傳輸、提取和收集性能等優點，使得基于B1:BTP-eC9全小分子體系的無界面層MSM器件效率（14.86%）遠高于為傳統器件結構（13.92%）。通過引入其他兩個全小分子體系，進一步證明了該TSST策略在構建無界面MSM器件中的通用性。此外，與參比器件相比，MSM器件可以獲得更高的存儲穩定性和光照穩定性。更重要的是，使用簡單的MSM器件結構替代具有界面層的參比器件結構，可以進一步提高電極基板的壽命，并能明顯降低模組的制造成本，這在工業應用中起著至關重要的作用。

文獻鏈接：“High-Performance All-small-molecule Organic Solar Cells without Interlayers” (Energy Environ. Sci.，2021，10.1039/D1EE00051A)

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