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complex for organic solar cells

藉由无障碍界面无机电子转移复合物,获得14.3%大面积OSC有机太阳能电池PCE认证

第一作者:康倩

通讯作者:侯剑辉、许博为

DOI: 10.1039/d0ta00999g

本文亮点
  1. 本文合成了一系列具有逐渐变化的化学成分和光电特性的多核金属氧簇(PMC),由此开发了高效稳定的空穴提取层以提高 OSC 效率。
  2. 与 PEDOT:PSS 设备相比,PMC-4 修改的 OSC 的 PCE 从7% 提高到 16.3%。
  3. 此外,PMC-4 可以通过溶液加工制造,无需任何后处理,相应的器件显示出更高的长期稳定性。
  4. PMC 的强氧化性可以诱导形成具有无障碍接口的无机 – 有机电子转移复合物,从而有效地提取空穴。
  5. 实验数据和理论计算结果表明,混合附加 PMC 的分子极化可以增强 AIL/活性层界面的电容。因此,混合添加 PMC 可以通过刮刀涂层进行处理,以制造 1 cm2 的大面积 OSC,并获得 14.3% 的认证 PCE。
前言

 

  2020年2月,Journal of Materials Chemistry A 杂志发表了中科院化学所侯剑辉研究员与中科院化学所许博为副研究员最新的有机太阳能电池材料研究成果。

  电极修饰的接口工程已被证明是提高有机太阳能电池(OSC)功率转换效率(PCE)的有效方法。然而,与活性层的进步相比,接口改性的研究严重滞后,电极改性对 PCE 增强的贡献被边缘化。具有逐渐变化的化学成分和光电特性的多核金属氧簇(PMC),由此开发了高效稳定的空穴提取层以提高 OSC 效率。

背景介绍

  受益于光敏层材料的快速发展,OSCs 的功率转换效率 (PCE) 已超过 16%,达到了实际应用的门坎。 1-4 除了活性层,电极中间层也是,电极夹层有助于在电极和有源层之间的接口处形成有利的内置电场和无障碍接触,因此,载流子可以被驱动并最终被收集8-10 然而,与活性层相比,电极夹层的发展很大程度上滞后。 特别是用于阳极改性的电极夹层材料极其稀缺,这严重限制了 OSC 效率的进一步提高。

图表解析
The chemical structure and photophysics of PMCs.

图 1. PMCs的化学结构和光物理。

(a) 本工作中PMC的Keggin结构和分子式。
(b) PMC 中 Mo 3d 和 W 4f 核心能级的 XPS 光谱。
(c) PMC 薄膜的归一化吸收。
(d) PMC,PEDOT:PSS和PBDB-T-2F的能级示意图。
(e) PMC 和 PEDOT:PSS 的纵向(三角形,红色)和横向(方形,蓝色)电导率。
(f) PMC-4 表面的 AFM 高度和 (g) 相位图像。

Structure of the OSC used in this journal.

图 2. 

(a) 这项工作中使用的OSC的设备结构。

(b) J-V 曲线和 (c) PBDB-T-2F:Y6 器件与 PMC AIL 的 EQE。插图是使用PMC-4作为AIL的50个独立细胞的PCE直方图。

(d) Voc、(e) Jsc、(f) FF 和 (g) PCE 的光伏参数,用于 PMC 厚度为 5、20 和 40 nm 的器件。

  如图 2(b)、(c)的模拟器IV曲线表征与量子效率图以及Table 1 所示,由 PMC-4 修改的设备表现出最佳性能,PCE 为 16.3%,是 OSC 的最高 PCE 值之一。值得注意的是,PMC-4 设备的最佳 PCE 和平均 PCE 均高于 PEDOT:PSS 设备,表明 PMC-4 在实现高效率方面的优势。而且,虽然PBDB-T-2F的HOMO能级深达5.31 eV,但PMC-4器件的Voc值仍然可以达到PEDOT:PSS器件的最大Voc。在 PMC-4 器件中未观察到 Voc 损失问题,这意味着与 PEDOT:PSS 相比,PMC-4 AIL 不会引起额外的电荷提取势垒。

Photovoltaic parameters of devices

表 1.

  从表 1 可以看出,Jcal(EQE 与 AM1.5G 的集成,或称为 Jsc(EQE))与从 IV 曲线测得的 Jsc 之间的偏差在 1% 以内。 一般情况下,期刊发表可以接受 EQE 的 Jcal 和 IV 的 Jsc 之间的差异不超过 5%。 本文作者使用QE-R量子效率测量系统Enlitech的太阳光模拟器分别取Jsc(EQE)(或Jcal)和Jsc(IV),两者高度吻合。 它还说明了来自 IV 测试数据的可靠 PCE 结果。

Application of PMC in large-area manufacturing

图 3. PMC在大面积制造中的应用。

(a) 刮刀涂层工艺示意图和 1cm2器件的光学照片。

(b) 30 个独立的 1 cm2 电池的 PCE 统计数据。

(c) 中国国家计量院 (NIM) 认证的带有刀片涂层 PMC-4 AIL 的 1.0 cm2 装置的光伏结果。

小结

  一系列具有逐渐变化的化学结构的PMC,并开发了基于PMC-4的AIL作为制造OSC的PEDOT:PSS的优良替代品。与 PEDOT:PSS 相比,PMC-4 具有可调性能、低成本和易于加工等优点,无需任何后处理。

  得益于优化的光电性能,所合成的 PMC-4 在改善 PCE 和 OSC 的长期稳定性方面表现出优于 PEDOT:PSS 和商业 PMC;带有 PMC-4 的设备显示出 16.3% 的出色 PCE,这是 OSC 的最高 PCE 值之一,具有出色的重现性。

  通过使用 ESR 和 UPS 测量,表明 PMC 可以与聚合物供体形成无机 – 有机电子转移复合物,导致约 25 nm 厚的带弯曲区域,这对于无障碍孔是必不可少的提取。

  EIS 分析和 DFT 计算结果表明,混合附加 PMC 的分子极化可以增强 AIL/活性层接口处的电容,这被证明是改善中间层厚度不敏感的新因素。 PMC-4 通过刮刀涂层加工制成 1 cm2的大面积 OSC,并获得了 14.3% 的认证 PCE。这些结果表明,PMC不仅在制造高性能OSC器件方面具有优势,而且在OSC的未来工业化生产中很有希望。

文献讯息

An inorganic molecule-induced electron transfer complex for highly efficient organic solar cells†

Qian Kang, Yunfei Zu, Qing Liao, Zhong Zheng, Huifeng Yao, Shaoqing Zhang, Chang He, Bowei Xu and  Jianhui Hou  

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta00999g#!divAbstract

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