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complex for organic solar cells

科學專欄

藉由無障礙界面無機電子轉移複合物,獲得14.3%大面積OSC有機太陽能電池PCE認證

第一作者: 康倩

通訊作者:侯劍輝、許博為

DOI: 10.1039/d0ta00999g

本文亮點
  1. 本文合成了一系列具有逐漸變化的化學成分和光電特性的多核金屬氧簇(PMC),由此開發了高效穩定的空穴提取層以提高 OSC 效率。
  2. 與 PEDOT:PSS 設備相比,PMC-4 修改的 OSC 的 PCE 從 15.7% 提高到 16.3%。
  3. 此外,PMC-4 可以通過溶液加工製造,無需任何後處理,相應的器件顯示出更高的長期穩定性。
  4. PMC 的強氧化性可以誘導形成具有無障礙介面的無機 – 有機電子轉移複合物,從而有效地提取空穴。
  5. 實驗數據和理論計算結果表明,混合附加 PMC 的分子極化可以增強 AIL/活性層介面的電容。因此,混合添加 PMC 可以通過刮刀塗層進行處理,以製造 1 cm2 的大面積 OSC,並獲得 14.3% 的認證 PCE。
前言

  2020年2月,Journal of Materials Chemistry A 雜誌發表了中科院化學所侯劍輝研究員與中科院化學所許博為副研究員最新的有機太陽能電池材料研究成果。

  電極修飾的介面工程已被證明是提高有機太陽能電池(OSC)功率轉換效率(PCE)的有效方法。然而,與活性層的進步相比,介面改性的研究嚴重滯後,電極改性對 PCE 增強的貢獻被邊緣化。具有逐漸變化的化學成分和光電特性的多核金屬氧簇(PMC),由此開發了高效穩定的空穴提取層以提高 OSC 效率。

背景介紹

  受益於光敏層材料的快速發展,OSCs 的功率轉換效率 (PCE) 已超過 16%,達到了實際應用的門檻。 1-4 除了活性層,電極中間層也是,電極夾層有助於在電極和有源層之間的介面處形成有利的內置電場和無障礙接觸,因此,載流子可以被驅動並最終被收集8-10 然而,與活性層相比,電極夾層的發展很大程度上滯後。 特別是用於陽極改性的電極夾層材料極其稀缺,這嚴重限制了 OSC 效率的進一步提高。

圖表解析
The chemical structure and photophysics of PMCs. 藉由無障礙界面無機電子轉移複合物,獲得14.3%大面積OSC有機太陽能電池PCE認證

1. PMCs的化學結構和光物理。

(a) 本工作中PMC的Keggin結構和分子式。
(b) PMC 中 Mo 3d 和 W 4f 核心能級的 XPS 光譜。
(c) PMC 薄膜的歸一化吸收。
(d) PMC,PEDOT:PSS和PBDB-T-2F的能級示意圖。
(e) PMC 和 PEDOT:PSS 的縱向(三角形,紅色)和橫向(方形,藍色)電導率。
(f) PMC-4 表面的 AFM 高度和 (g) 相位圖像。

Structure of the OSC used in this journal.

圖 2. 

(a) 這項工作中使用的OSC的設備結構。

(b) J-V 曲線和 (c) PBDB-T-2F:Y6 器件與 PMC AIL 的 EQE。插圖是使用PMC-4作為AIL的50個獨立細胞的PCE直方圖。

(d) Voc、(e) Jsc、(f) FF 和 (g) PCE 的光伏參數,用於 PMC 厚度為 5、20 和 40 nm 的器件。

  如圖 2(b)、(c)的模擬器IV曲線表徵與量子效率圖以及Table 1 所示,由 PMC-4 修改的設備表現出最佳性能,PCE 為 16.3%,是 OSC 的最高 PCE 值之一。值得注意的是,PMC-4 設備的最佳 PCE 和平均 PCE 均高於 PEDOT:PSS 設備,表明 PMC-4 在實現高效率方面的優勢。而且,雖然PBDB-T-2F的HOMO能級深達5.31 eV,但PMC-4器件的Voc值仍然可以達到PEDOT:PSS器件的最大Voc。在 PMC-4 器件中未觀察到 Voc 損失問題,這意味著與 PEDOT:PSS 相比,PMC-4 AIL 不會引起額外的電荷提取勢壘。

Photovoltaic parameters of devices

表 1.

  從表 1 可以看出,Jcal(EQE 與 AM1.5G 的集成,或稱為 Jsc(EQE))與從 IV 曲線測得的 Jsc 之間的偏差在 1% 以內。 一般情況下,期刊發表可以接受 EQE 的 Jcal 和 IV 的 Jsc 之間的差異不超過 5%。 本文作者使用QE-R量子效率測量系統Enlitech的太陽光模擬器分別取Jsc(EQE)(或Jcal)和Jsc(IV),兩者高度吻合。 它還說明了來自 IV 測試數據的可靠 PCE 結果。

Application of PMC in large-area manufacturing

圖 3. PMC在大面積製造中的應用.

(a) 刮刀塗層工藝示意圖和 1 cm2 器件的光學照片。

(b) 30 個獨立的 1 cm2 電池的 PCE 統計數據。

(c) 中國國家計量院 (NIM) 認證的帶有刀片塗層 PMC-4 AIL 的 1.0 cm2 裝置的光伏結果。

小結

  一系列具有逐漸變化的化學結構的PMC,並開發了基於PMC-4的AIL作為製造OSC的PEDOT:PSS的優良替代品。與 PEDOT:PSS 相比,PMC-4 具有可調性能、低成本和易於加工等優點,無需任何後處理。

  得益於優化的光電性能,所合成的 PMC-4 在改善 PCE 和 OSC 的長期穩定性方面表現出優於 PEDOT:PSS 和商業 PMC;帶有 PMC-4 的設備顯示出 16.3% 的出色 PCE,這是 OSC 的最高 PCE 值之一,具有出色的重現性。

  通過使用 ESR 和 UPS 測量,表明 PMC 可以與聚合物供體形成無機 – 有機電子轉移複合物,導致約 25 nm 厚的帶彎曲區域,這對於無障礙孔是必不可少的提取。

  EIS 分析和 DFT 計算結果表明,混合附加 PMC 的分子極化可以增強 AIL/活性層介面處的電容,這被證明是改善中間層厚度不敏感的新因素。 PMC-4 通過刮刀塗層加工製成 1 cm2 的大面積 OSC,並獲得了 14.3% 的認證 PCE。這些結果表明,PMC不僅在製造高性能OSC器件方面具有優勢,而且在OSC的未來工業化生產中很有希望。

文獻訊息

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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