研究团队

第一作者：康倩 

通讯作者：许博为

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.08.005

本文亮点

1. 掺杂效应发现：首次发现PFN的胺基掺杂IT-4F导致不利的电荷积累，由于非富勒烯受体IT的电子传输能力差而形成致密的带电负性分子层-4F。
2. 机制验证：负电性分子层可以阻止电子从活性层到中间层的转移，并在活性层/阴极界面引起串联电荷复合。这种机制可以通过ESR测量和纯电子器件进行验证。
3. 性能改善：通过使用PFN-Br取代PFN，消除了阴极中间层与IT-4F之间的过度掺杂效应，从而大幅提高了电荷的传输和收集。
4. 重要突破：最终在不含富勒烯的聚合物太阳能电池中实现了15%的高功率转换效率。

前言

2019年8月，Journal of Energy Chemistry杂志发表了中科院化学所许博为副研究员关于掺杂效应对高效无富勒烯聚合物太阳能电池太阳能电池性能显著影响的研究。水/醇阴极中间层的改性机制是有机太阳能电池领域最复杂的问题之一，目前尚未明确阐明；这极大地限制了聚合物太阳能电池功率转换效率的进一步提升。在此，本文阐明了PFN及其衍生物的不同作用，即poly[(9,9-bis(3-((N,N-二甲基)-N-乙基铵)-丙基)-2,7-芴)-alt-2,7-(9,9-二辛基芴)] (PFN-Br)用于改性不含富勒烯的聚合物太阳能电池。

背景介绍

聚合物太阳能电池(Polymer Solar Cells, PSC)采用共轭聚合物作为电子给体，采用富勒烯衍生物或基于非富勒烯的分子作为电子受体，在过去几十年中取得了巨大进步[1-4]。单结聚合物太阳能电池的功率转换效率已达到15%以上，显示出有机太阳能电池技术实际应用的光明前景[5,6]。典型的聚合物太阳能电池器件具有多层堆叠结构，包括体异质结(Bulk Heterojunction, BHJ)活性层、阳极和阴极以及BHJ和电极之间的中间层。

目前，活性层材料发展迅速，相关的光电转换机制已被深入研究和理解[7-10]。与活性层材料相比，中间层的发展相对滞后。特别是，由于层间/活性层界面处的复杂能级结构，对电荷收集过程的理解仍然模糊[11-13]。事实上，界面工程已被证明是提高聚合物太阳能电池功率转换效率的有效方法。

图表解析

图2

• 电性测量：(a) 聚合物太阳能电池器件F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的电流密度-电压(J-V)特性
• 量子效率：(b) 外部量子效率(EQE)分析
• 阻抗分析：(c) 器件F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的奈奎斯特图
• 等效电路：(d) 用于器件电化学阻抗谱(EIS)拟合的等效电路模型

表1

基于F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的常规结构器件在AM 1.5 G、100 mW cm^-2的光照下的太阳能电池参数。

表2

器件奈奎斯特图的拟合结果。

图4

(a) 纯IT-4F、PFN-Br和PFN薄膜的电子自旋共振(ESR)谱
(b) IT-4F:PFN-Br和IT-4F:PFN混合物的ESR谱
(c) PBDB-T-2F:IT-4F/PFN和
(d) PBDB-T-2F:IT-4F/PFN-Br中的电子传输过程示意图

图5

(a) F-N和F-Br的化学结构
(b) J-V曲线
(c) 使用小分子模型F-N和F-Br改质的聚合物太阳能电池器件的EQE曲线
(d) IT-4F:F-Br和IT-4F:F-N混合物的ESR谱

图6 纯电子器件的半对数电流密度与电压特性

• 结构A和B：(a) A: ITO/ZnO/PC₇₁BM/PFN/Al和B: ITO/ZnO/PC₇₁BM/PFN-Br/Al
• 结构C和D：(b) C: ITO/ZnO/IT-4F/PFN/Al和D: ITO/ZnO/IT-4F/PFN-Br/Al
• 结构E和F：(c) E: ITO/ZnO/IT-4F/FN/Al和F：ITO/ZnO/IT-4F/F-Br/Al

小结

本文证明了PFN和PFN-Br对改质聚合物太阳能电池的不同影响，并深入研究了PFN和PFN-Br的工作机制。尽管PFN和PFN-Br中间层在基于富勒烯的聚合物太阳能电池中效果很好，但在使用PFN和PFN-Br中间层来改质无富勒烯器件时观察到显著的差异。由于对过量电子的接受能力差，在非富勒烯受体IT-4F上的掺杂导致IT-4F/PFN界面附近未成对电子的积累，并形成了一层致密的负电分子，从而阻止了电子从活性层到中间层的转移，这降低了器件的电荷收集效率。

纯电子器件进一步验证了我们的推论，即PFN和IT-4F之间的过度掺杂阻碍了聚合物太阳能电池器件中的电子收集。通过使用PFN-Br取代PFN，大幅提高了电荷收集效率，实现了13.5%的高功率转换效率。这项工作的结果阐明了掺杂对基于富勒烯和不含富勒烯的聚合物太阳能电池改质的不同影响，这为选择合适的界面材料以构建高效聚合物太阳能电池提供了新的灵感。

文献信息

Significant influence of doping effect on photovoltaic performance of efficient fullerene-free polymer solar cells

Qian Kang, Qi Wang, Cunbin An, Chang He, Bowei Xu, Jianhui Hou

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.08.005