Adv. Mater. 武漢理工：反式聚合物太陽能電池效率突破10%

【引語】

太陽能電池，例如染料敏化太陽能電池、聚合物太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池等，都可將太陽光直接轉化為電能，是一種頗具潛力的可再生能源。其中，聚合物太陽能電池（PSCs）結合了光電可調性和機械柔性基板上低成本溶液可加工性的優點。過去十幾年對PSCs的研究顯示，在富勒烯-聚合物、無富勒烯的體異質結體系的兩類聚合物中，其光電轉換效率（PCE）超過10%。而打破10%這個壁壘的方法有：合成新的電子給體，發展有效的電荷傳輸材料，進行形態控制以及周期或非周期結構的光操作。

以上方法中，制備新的電荷傳輸材料是種有效的方法。目前開發了一系列能夠滿足需要的有效電荷傳輸層材料，包括堿金屬鹽，兩性離子分子，離子液體，n型金屬氧化物，中性聚合物（PEIE），共軛聚電解質(PFN）。其中，金屬氧化物是用于反式聚合物太陽能電池（i-PSC）的一類重要的電子傳輸材料，已經引起了極大的關注。金屬氧化物可以在溶液里加工，并且它們的功函數可以通過改變成分和表面處理來調節，可用作空穴傳輸層（HTL）或電子傳輸層（ETL）。低溫處理的金屬氧化物ETLs也已經被開發以降低能量消耗并且與塑料基板上的PSC制造兼容。然而，當n型金屬氧化物薄膜在PSCs上作為ETLs時，在初始照明中它們經常顯示S形J-V曲線，具有較低的PCE和填充因子（FF）。在連續的光照下，器件度量逐漸恢復并最終到達飽和狀態,這被稱為“光滲透”問題。這一問題常在TiO_x中觀察到,并且和制備方法無關。克服光滲透問題的一種方法是將金屬氧化物與其它元素化學摻雜，這可以降低其功函數并增加其載流子密度，并因此減少ETL和光活性層之間的能壘。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學王濤教授（通訊作者）的研究團隊在Adv. Mater.上發文，題為“Light-Soaking-Free Inverted Polymer Solar Cells with an Efficiency of 10.5% by Compositional and Surface Modifications to a Low-Temperature-Processed TiO₂?Electron-Transport Layer”。該研究團隊并未使用任何本體化學摻雜工藝而是對金屬氧化物膜進行改性，制備了具有優良穩定性和高轉換效率的反式聚合物太陽能電池。

研究人員將四氯化鈦作為前驅體通過低溫法合成了TiO₂納米顆粒（NPs），制備了高結晶度和高導電性的銳鈦礦TiO₂納米顆粒。然后添加了一種鈦螯合物，二異丙氧基雙乙酰丙酮鈦（TIPD）,熱退火轉化為雙(2,4-戊二酮基)鈦氧化物（TOPD），以減少TiO₂薄膜的孔隙率和表面粗糙度。并用紫外光照射，胺類極性溶劑乙醇胺（EA）清洗TOPD，可以顯著增加PCE和消滅這些i-PSCs中光滲透的問題。最后使用PTB7-Th和PC71BM相組合作為活性層的光伏共混物，在單結PSC中PCE可達10.5%。

【圖文導讀】

圖1.聚合物及反式器件的表征

(a) 供體聚合物PTB7-Th和富勒烯受體PC71BM的分子結構；

(b) 各類反式器件中的能級；

(c) 一種反式PSC的示意圖；

(d) XPS圖：純TiO₂薄膜的Ti 2p（左上），O 1s（左下）軌道的核能級光譜，在EA處理前（右上）后（右下）的TiO₂:TOPD膜的N 1s軌道的核能級光譜；

澆鑄在氧化銦錫（ITO）基板上的（e）TiO₂?NPs和（f）TiO₂:TOPD薄膜的表面形貌。

圖2.傳統器件與反式器件的對比

(a) c-PSC（常規PSCs）和分別以TiO2:TOPD、經UV+EA處理后的TiO2:TOPD為ETL的i-PSC在100mWcm^-2標準照射下的穩定J-V曲線;

傳統器件和反式器件的(b)穩定性，(c)吸收，(d)EQE，(e)光致發光與(f)光強相關的開路電壓?曲線。

圖3. i-PSCs基于是否經過UV和EA處理的TOPD:TiO₂電子傳輸層的光滲透過程

經過UV、EA處理無光滲透問題的(a)反式PSC器件的J-V特性曲線圖，以(b)與之對應的隨照射時間變化的PCE和FF曲線圖；

未經過UV、EA處理有光滲透問題的(c)反式PSC器件的J-V特性曲線圖，以及(d)與之對應的隨照射時間變化的PCE和FF曲線圖。

圖4.原始TiO₂:TOPD薄膜和經處理TiO₂:TOPD薄膜的性能對比

(a)原始TiO_2?：TOPD薄膜和經過UV、EA處理的TiO₂:TOPD薄膜的導電性;

(b,c)未經UV、EA處理，含TiO₂:TOPD薄膜的i-PSC的光滲透依賴的EIS光譜；

(d)i-PSCs的光滲透依賴界面電阻。

【總結】

該研究團隊合成了經UV光照射和EA溶劑漂洗處理的低溫制備的TiO₂:TOPD電子傳輸層，用來制備反式單結PTB7-Th:PC71BM的BHJ太陽能電池，具有10.55％的最佳光電轉換效率和高達72％的填充因子。這是所報道的最好的單結反式聚合物太陽能電池之一，并且在環境氣氛下與常規器件相比表現出優異的穩定性。他們提供了一種不通過任何本體化學摻雜而是對金屬氧化物膜改性的方法，制備了具有優良穩定性和高轉換效率的反式聚合物太陽能電池。

文獻鏈接：Light-Soaking-Free Inverted Polymer Solar Cells with an Efficiency of 10.5% by Compositional and Surface Modifications to a Low-Temperature-Processed TiO2 Electron-Transport Layer（Adv. Mater.，2016，DOI:10.1002/adma.201604044）

本文由新能源小組 安艾安?投稿，材料人新能源學術小組編輯整理。

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