武汉大学闵杰Energy Environ. Sci.:无界面层全小分子有机太阳能电池

【引言】

溶液法制备的有机太阳电池（OSCs）具有重量轻、成本低、色彩丰富等优点，因而被认为是最有发展前景的光伏技术之一。通常，OSC器件是由五部分组成：阳极和阴极，空穴传输层（HTL），电子传输层（ETL），以及具有体异质结（BHJ）结构的活性层（AL）。OSC的基本工作原理是，活性层吸收入射光，产生电子-空穴对并进行拆分，ETL/HTL层通过能极差产生的驱动力有选择地提取电子或空穴。然后，自由载流子从电极中提取出，从而产生光电流。在这一光电转换过程中，ETL和HTL在从活性层中提取和传输电子和空穴到阴极和阳极方面起着至关重要的作用。另外，ETL和HTL分别作为空穴阻挡层和电子阻挡层对OSC的整体器件性能也有很大的影响。

然而，越来越多的研究表明，ETL和HTL界面层通常存在着许多缺点，包括加工条件苛刻，可重复性差，易于衰减/变性，材料价格昂贵，与活性层或电极层易发生化学反应或界面物理变化等。需要说明的是，早期的OSC器件结构并没有界面层，而是以金属-半导体-金属（MSM）器件结构为主。发展成为目前含有界面层的器件结构，主要是因为MSM器件中的电极与活性层材料物理性能不匹配，限制了电荷的收集。基于此，寻找新的加工方法，开发可替代的界面层材料来制备高性能OSC，也应成为OSC主要研究热点之一。

近日，武汉大学闵杰研究员（通讯作者）报道了一种两步溶剂处理（TSST）策略来构建高性能全小分子太阳能电池（all-SMSCs），这种电池仅由夹在两个电极之间的活性层组成。氧化铟锡（ITO）的表面经过氯苯和紫外线处理，能够形成降低氯化ITO阳极的功函并改善其表面能。另外，选择甲醇溶剂处理活性层表面能够有效提升活性层/铝(Al)电极界面处的真空能阶，并钝化活性层的表面陷阱。因而，TSST策略通过在有机/电极界面形成净偶极子，使电极功函发生变化，导致基于ITO-Cl/AL/Al的MSM器件形成良好的欧姆接触，并将B1:BTP-eC9全小分子体系的效率提高到14.86%，明显高于具有ETL和HTL的all-SMSC器件（13.92%）。另外，TSST策略在其他两个全小分子体系中的成功应用，也证明了该方法具有良好的通用性。更为重要的是，该策略可以显著提高all-SMSC器件的稳定性，延长ITO基底的寿命周期，降低模块的生产成本。相关研究成果以“High-Performance All-small-molecule Organic Solar Cells without Interlayers”为题发表在Energy Environ. Sci.上。

【图文导读】

图一、TSST对表面成分和电势的影响等

（A）有无界面层OSCs器件结构示意图；

（B）针对简单MSM器件制造的工艺示意图；

（C）给体材料B1和受体材料BTP-eC9的化学结构；

（D）有无表面氯化处理和含PEDOT:PSS的ITO基底的光学透射率；

（E）有无氯化处理ITO基底的XPS光谱；

（F）有无氯化处理ITO基底的UPS光谱；

（G）ITO基底的功函数及表面能；

（H，I）表面形貌的AFM图像；

（J）表面形貌的KPFM图像。

图二、器件的光伏特性及其垂直形貌

（A）不同器件结构OSCs的J-V曲线；

（B）相应OSC器件的EQE光谱；

（C）25 个单独器件的PCE分布直方图；

（D，E）横截面的TEM图像和EDS元素分布图;

（G，H）基于ITO/PEDOT:PSS/AL和ITO-Cl/AL的活性层垂直吸收谱图;

图三、相关器件的光学特性及其物理动力学

（A）UV-vis吸收光谱；

（B，C）吸收率的模拟谱图；

（D）参比器件和MSM器件的暗态J-V曲线；

（E）参比器件和MSM器件的空穴迁移率及载流子迁移率；

（F）参比器件和MSM器件的瞬态光电流。

图四、对MSM器件的进一步评估

（A，B）参比器件和MSM器件的J-V曲线；

（C，D）参比器件和MSM器件暗态储存稳定性和光照稳定性；

（E）分别基于循环ITO和ITO-Cl基底的光伏性能；

（F）参比器件和MSM器件的最低可持续价格-模组效率函数。

【小结】

综上所述，基于ITO基底表面氯化和甲醇处理策略对电极与活性层界面接触的物理性能调控，开发了一种简单的MSM器件结构。通过与全小分子体系进行匹配，发现可以有效避免全小分子太阳电池中对界面层的需求。进一步研究证实该MSM器件结构具有较强的光吸收率、合适垂直形貌以及良好的电荷传输、提取和收集性能等优点，使得基于B1:BTP-eC9全小分子体系的无界面层MSM器件效率（14.86%）远高于为传统器件结构（13.92%）。通过引入其他两个全小分子体系，进一步证明了该TSST策略在构建无界面MSM器件中的通用性。此外，与参比器件相比，MSM器件可以获得更高的存储稳定性和光照稳定性。更重要的是，使用简单的MSM器件结构替代具有界面层的参比器件结构，可以进一步提高电极基板的寿命，并能明显降低模组的制造成本，这在工业应用中起着至关重要的作用。

文献链接：“High-Performance All-small-molecule Organic Solar Cells without Interlayers” (Energy Environ. Sci.，2021，10.1039/D1EE00051A)

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