研究團隊

第一作者：康倩

通訊作者：許博為 

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.08.005

本文亮點

1. 摻雜效應發現：首次發現PFN的胺基摻雜IT-4F導致不利的電荷積累，由於非富勒烯接受者IT的電子傳輸能力差而形成緻密的帶電負性分子層-4F。
2. 機制驗證：負電性分子層可以阻止電子從活性層到中介層的轉移，並在活性層/陰極介面引起串聯電荷複合。這種機制可以透過ESR測量和純電子元件進行驗證。
3. 效能改善：透過使用PFN-Br取代PFN，消除了陰極中介層與IT-4F之間的過度摻雜效應，從而大幅提高了電荷的傳輸和收集。
4. 重要突破：最終在不含富勒烯的聚合物太陽能電池中實現了15%的高功率轉換效率。

前言

2019年8月，Journal of Energy Chemistry雜誌發表了中科院化學所許博為副研究員關於摻雜效應對高效無富勒烯聚合物太陽能電池太陽能電池性能顯著影響的研究。水/醇陰極中介層的改性機制是有機太陽能電池領域最複雜的問題之一，目前尚未明確闡明；這極大地限制了聚合物太陽能電池功率轉換效率的進一步提升。在此，本文闡明了PFN及其衍生物的不同作用，即poly[(9,9-bis(3-((N,N-二甲基)-N-乙基銨)-丙基)-2,7-芴)-alt-2,7-(9,9-二辛基芴)] (PFN-Br)用於改性不含富勒烯的聚合物太陽能電池。

背景介紹

聚合物太陽能電池(Polymer Solar Cells, PSC)採用共軛聚合物作為電子給予者，採用富勒烯衍生物或基於非富勒烯的分子作為電子接受者，在過去幾十年中取得了巨大進步[1-4]。單結聚合物太陽能電池的功率轉換效率已達到15%以上，顯示出有機太陽能電池技術實際應用的光明前景[5,6]。典型的聚合物太陽能電池元件具有多層堆疊結構，包括體異質結(Bulk Heterojunction, BHJ)活性層、陽極和陰極以及BHJ和電極之間的中介層。

目前，活性層材料發展迅速，相關的光電轉換機制已被深入研究和理解[7-10]。與活性層材料相比，中介層的發展相對滯後。特別是，由於層間/活性層介面處的複雜能級結構，對電荷收集過程的理解仍然模糊[11-13]。事實上，介面工程已被證明是提高聚合物太陽能電池功率轉換效率的有效方法。

圖表解析

圖2

• 電性量測：(a) 聚合物太陽能電池元件F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的電流密度-電壓(J-V)特性
• 量子效率：(b) 外部量子效率(EQE)分析
• 阻抗分析：(c) 元件F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的奈奎斯特圖
• 等效電路：(d) 用於元件電化學阻抗譜(EIS)擬合的等效電路模型

表1

基於F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的常規結構元件在AM 1.5 G、100 mW cm^-2的光照下的太陽能電池參數。

表2

元件奈奎斯特圖的擬合結果。

圖4

(a) 純IT-4F、PFN-Br和PFN薄膜的電子自旋共振(ESR)光譜
(b) IT-4F:PFN-Br和IT-4F:PFN混合物的ESR光譜
(c) PBDB-T-2F:IT-4F/PFN和
(d) PBDB-T-2F:IT-4F/PFN-Br中的電子傳輸過程示意圖

圖5

(a) F-N和F-Br的化學結構
(b) J-V曲線
(c) 使用小分子模型F-N和F-Br改質的聚合物太陽能電池元件的EQE曲線
(d) IT-4F:F-Br和IT-4F:F-N混合物的ESR光譜

圖6 純電子元件的半對數電流密度與電壓特性

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

小結

本文證明了PFN和PFN-Br對改質聚合物太陽能電池的不同影響，並深入研究了PFN和PFN-Br的工作機制。儘管PFN和PFN-Br中介層在基於富勒烯的聚合物太陽能電池中效果很好，但在使用PFN和PFN-Br中介層來改質無富勒烯元件時觀察到顯著的差異。由於對過量電子的接受能力差，在非富勒烯接受者IT-4F上的摻雜導致IT-4F/PFN介面附近未成對電子的積累，並形成了一層緻密的負電分子，從而阻止了電子從活性層到中介層的轉移，這降低了元件的電荷收集效率。

純電子元件進一步驗證了我們的推論，即PFN和IT-4F之間的過度摻雜阻礙了聚合物太陽能電池元件中的電子收集。透過使用PFN-Br取代PFN，大幅提高了電荷收集效率，實現了13.5%的高功率轉換效率。這項工作的結果闡明了摻雜對基於富勒烯和不含富勒烯的聚合物太陽能電池改質的不同影響，這為選擇合適的介面材料以構建高效聚合物太陽能電池提供了新的靈感。

文獻訊息

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