1、导读>>
制造稳定且高效的有机太阳能电池对于未来大规模应用有机光伏至关重要。构建稳定和高效有机太阳能电池的步骤之一是建立稳定的界面层。在这项研究中，作者利用染料分子罗丹明101作为电子传输层，制备出了高效率的非富勒烯受体太阳能电池，从而提高了器件的稳定性。这项工作为未来开发经济、稳定且高效的有机太阳能电池带来了希望。
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DOI:
https://doi.org/10.26599/EMD.2024.9370033
2、背景介绍>>
由于其轻量化设计、灵活性以及可通过卷对卷打印方法实现的可扩展性，异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSC）引起了学术界和工业界的极大兴趣。在过去的二十年里，通过采用多种策略来提高OSC的功率转换效率（PCE），例如设计高性能供体和受体材料、优化载流子传输层、采用三元有源层材料、使用串联器件结构以及应用光管理。到目前为止，单结和串联结器件的PCE已经提高到19%以上。尽管OSC已经显示出相当大的潜力，但其相对较低的稳定性仍然是其未来商业化的主要障碍之一。受光、热、湿气和氧气等各种因素的影响，它们的性能会迅速恶化。大多数研究通过调整给体/受体系统的化学性质来提高OSC的稳定性。另一种策略是应用“界面工程”，即通过优化稳定的界面材料来实现这一目标。在寻求工业化设备的过程中，界面层的重要性无论怎样强调都不为过。由于先进的受体材料的出现，OSC的效率最近有所提高。因此，稳定电子传输层（ETLs）的设计是实现NFA界面高效电子传输和提取的关键，以实现高效的NFA有机太阳能电池。然而，ETLs在NFA太阳能电池中的稳定性很少有报道。
早期研究表明，通过掺入具有低功函数（WF）的超薄缓冲层，可以减轻界面损耗并提高电子捕获效率。此类材料的突出例子包括插入到电极和OSC活性层之间的钙（Ca）、钡（Ba）或氟化锂（LiF）。然而，由Ca、Ba或LiF组成的阴极夹层对环境湿度和氧气含量非常敏感。引入了空气稳定的n型无机金属氧化物（MOx），如钛氧化物、氧化锌（ZnO）或铝掺杂氧化锌，显著提高了反相OSCs的长期稳定性。MOx的缺点是需要在400°C下进行高温退火，因此通常用于倒置的OSC，不能在活性层顶部旋涂以制备常规结构的器件。许多新设计的材料也被用于ETL，以实现OSC的稳定。MSAPBS和PEO等ETL可以在活性层和电极之间的界面上感应偶极子，从而降低顶部电极的WF并增强器件的开路电压（Voc）。由于这些界面材料的导电性较差，需要将电子层的厚度控制在约10nm，以便电极离子能够渗透到活性层中。这严重影响了器件的稳定性，极大地阻碍了其工业应用。在热退火和连续光照条件下，这些界面材料也容易受到界面偶极子的破坏。市售的PEDOT:PSS可用于低成本地在大面积上构建传统结构的OSC，并作为空穴传输层。因此，设计一种廉价、热、光学和环境稳定的市售ETL材料对于传统结构OSC器件的商业化至关重要。
本研究以染料分子罗丹明101作为ETL，构建了由PBDBT-2Cl和电子受体IT-4F混合物制成的高效NFA OSC。这些太阳能电池实现了14%的PCE和良好的器件稳定性、兼容性。与常用的PFN-Br相比，罗丹明101作为一种ETL，不仅表现出相当的器件效率，而且当与不同的金属电极相结合时，具有更好的器件稳定性，包括热稳定性、光稳定性和储存稳定性。本研究利用偏置依赖性光电流衰减动力学来研究老化前后所有OSC的电荷提取效率，并揭示了其与载流子迁移率和平衡之间的关系。根据器件复合机理，界面材料的老化不会影响活性层的载流子复合行为。但是，在器件老化后，界面处的电荷收集效率显著降低，特别是在以PFN-Br为ETL的OSC中。因此，OSCs性能不稳定的主要原因是界面材料的分解影响了界面的WF，使界面势垒不利于界面电荷的收集和注入。开尔文探针力显微镜（KPFM）的实验结果证实了这一发现。
3、图文介绍>>
图1（a）本研究中使用的供体聚合物、受体分子和夹层材料的化学结构。（b）BHJ的薄膜吸收光谱在阴极界面层和阴极界面层之间混合。（c）AM 1.5G太阳照射（100 mW/cm²）下OSC的电流密度与电压（J-V）特性。插图显示了所有OSC的图示设备架构。（d）相应太阳能电池的外部量子效率谱。
图2不同正极改性材料、不同金属对应器件的稳定性。（a–c）不同金属材料的归一化效率。（d–f）不同金属的归一化填充因子。
图3（a–c）归一化PCE、FF和Voc曲线显示了在60°C下储存PFN-Br和罗丹明101的器件未封装结构的热稳定性测试结果。（d–f）归一化PCE、FF和Voc曲线显示了在白光LED（100 mW/cm2）下点亮PFN-Br和罗丹明101的器件未封装结构的光稳定性测试结果。
图4铝电极和PFN-Br-或罗丹明101修饰铝电极的KPFM测量。（a–f）新鲜样品;（g–l）在氮气条件下储存20天的老化样品。
图5通过瞬态光电流衰减测量获得的罗丹明101和PFN-Br的新鲜和老化器件的电荷提取时间与偏置特性的关系。
4、总结与展望>>
本研究全面分析了PFN-Br和罗丹明101作为电子传输层对有机太阳能电池稳定性的影响。通过与不同材质电极（铝、银和金）结合，比较了这两种界面材料的设备稳定性。在与不同金属阴极配对时，罗丹明101展现出比PFN-Br更好的稳定性。同样，在60°C的热处理和LED白光照射下，罗丹明101器件的热稳定性和光稳定性均优于PFN-Br器件。使用PFN-Br作为ETL的器件对环境条件更敏感且稳定性较差，而使用罗丹明101作为ETL的器件则更为稳定。这种廉价的染料分子是未来OSC工业化的一种潜在界面材料。
5、通讯作者>>
张旭宁，河北大学物理科学与技术学院，副研究员、硕士生导师。于北京航空航天大学化学学院材料物理与化学专业获得博士学位，目前就职于河北大学物理科学与技术学院“光伏技术省部共建协同创新中心”先进钝化技术实验室，从事光伏材料与器件等相关研究工作。主要针对低维材料界面钝化硅太阳电池的机理及稳定性机制、有机太阳能电池电荷输运特性以及钙钛矿太阳能电池晶体调控等方向开展科学研究。在Joule., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Nano energy, J. Mater. Chem. A., Sci. China Chem.,等期刊发表学术论文60余篇，申请和授权国家发明专利10余项。主持或参与国家自然科学基金，河北省科技厅基金，校企合作横向基金等项目。
张弘，国家纳米科学中心，副研究员。2016年于德国埃尔兰根-纽伦堡大学获得博士学位。2016年在美国国家可再生能源实验室（NREL）担任访问研究员。2017– 2019年在新加坡国立大学（NUS）任研究员。 目前从事光电器件的纳米材料工程以及太阳能转换和传感器件研发工作。
周惠琼，国家纳米科学中心，博士生导师，研究员。于武汉大学获得学士和硕士学位（导师：陈兴国教授），国家纳米科学中心获得博士学位（导师：江雷院士和唐智勇院士），之后加入加州大学圣塔芭芭拉分校Alan J. Heeger教授课题组（2000年诺贝尔奖获得者）进行博后研究。2015年入选中国科学院人才项目加入国家纳米科学中心，2019年获得国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”资助。致力于溶液法光伏器件的研究，在有机和钙钛矿太阳能电池方面有着丰富的经验。目前为ChemNanoMat杂志编委，Solar RRL杂志顾问编委，《物理化学学报》以及Nano Research等杂志青年编委。迄今为止发表文章130余篇。
张渊，北京航空航天大学，教授。于 2010年在荷兰格罗宁根大学获得博士学位，师从Paul. W. M. Blom教授。2011 –2015 年曾在加州大学圣巴巴拉分校聚合物和有机固体中心（CPOS） 从事博士后研究。目前主要从事有机半导体和卤化物钙钛矿材料的光伏电池器件以及材料物理性质研究。
Energy Materials and Devices是清华大学主办的全英文开放获取(Open Access)期刊，2023年9月创刊，清华大学康飞宇教授担任主编。作为一本瞄准能源材料前沿领域、国际化的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，面向全球发表原创性、引领性、前瞻性研究进展，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。
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