化学所侯剑辉《Joule》：打破有机光伏20%效率瓶颈，开启有机光伏新纪元！

有机光伏迈上新纪元

2015年，南开大学陈永胜教授团队开始进行有机叠层太阳能电池研究。2018年，其团队验证了效率为17.3%的光电转化效率（PCE），将有机太阳电池的研究推向了一个新的高度。其研究成果也大大提升了人们对于有机太阳能电池的信心。

之后，有机太阳能电池的PCE不断被刷新。今年8月份，中科院化学所的侯剑辉研究员团队与苏州大学张茂杰教授团队合作，采用基于PBDB-TF:ITCC和PBDB-TF:BTP-eC11的体系分别构建了串联OPV器件的底部子电池和顶部子电池，实现了高达19.64%的PCE，认证为19.50%。

虽然从最佳串联电池中获得了创纪录的PCE，但两个子电池之间的光吸收竞争保持在400-700 nm的范围内，并且底部子电池中的电压损失仍然大于顶部子电池中的电压损失（0.65 V vs 0.51 V）。因此，进一步提高串联OPV器件的PCE仍有很大的空间。

12月29日，中科院化学所的侯剑辉研究员团队报道了利用串联式有机太阳能电池的先进互连层（ICL，由电子束蒸发的TiO x(e-TiO x)/PEDOT：PSS组成）首次实现了有机太阳能电池超过20%的效率，这将开启有机太阳能电池的新篇章。该工作以题为“Tandem Organic Solar Cell with 20.2% Efficiency”发表在《Joule》上。

【电子束蒸发制备ICL】

分子结构和电子束蒸发图如图1A所示。在电子束蒸发过程中，金红石相TiO x将转化为非晶态沉积物，有利于均匀膜的形成。沉积的e-TiO x扁平、均匀、致密、耐酸，使PEDOT：PSS能够加工成光滑、致密的薄膜。通过精确控制氧气，可以改变沉积物的化学式、能级、相对介电常数（ε r）和掺杂密度(N d)。因此，优化了底部子电池中BHJ的电荷提取和ICL中的电荷重组。不同O 2通量下25 nm e-TiO x的吸收光谱如图1B所示。如图1H-1K所示，微调后的沉积过程保证了在PBDB-TF：GS-ISO/e-TiOx/PEDOT：PSS中的整洁的界面。

图1. 关键材料、电子束蒸发和沉积物的结构特征

【串联式器件的设计】

采用玻璃/ITO/PEDOT：PSS/PBDB-TF：GS-ISO/e-TiO x/PEDOT：PSS/PBDB-TF：BTP-eC9/PDINN/银的器件结构串联OSCs，可以实现平坦、均匀的ICL。如图2A所示，通过串联OSC的横断面图像，可以清楚地显示出ICL中的各个层。e-TiO x保证的ICL中整洁的界面，有利于电荷提取和串联OSC的构建。如图2B-2D展示了不同氧通量下形成的e-TiO x的化学公式。较高的氧通量导致钛离子计算价的增加。图2E中用紫外光光电子能谱仪(UPS)研究了e-TiO x的能级。在器件中，PBDB-TF：GS-ISO的费米能级（E F）比e-TiO x的更深，表明PBDB-TF：GS-ISO/e-TiO x连接处内置电场方向从e-TiO x到PBDB-TF：GS-ISO，有利于电荷提取。

图2. 沉积物的组成、结构和形态

【电荷提取与传输的性质】

为了准确评价PBDB-TF：GS-ISO/e-TiO x界面的电荷提取和整体e-TiO x中的电荷传输，需要对e-TiO x的ε r和N d进行测试，以供进一步研究。如图3A所示，e-TiO x在0 Hz时的ε r可以由在103 Hz时的值推导出来。对于e-TiO 1.62、e-TiO 1.76和e-TiO 1.89，ε r分别为130.81、64.00和51.41。ε r值的降低可归因于e-TiO 1.76和e-TiO 1.89中氧空位(V O)含量的抑制。使用ε r，PBDB-TF：GS-ISO和e-TiO x的N d可以通过电容-电压(C-V)图中线性区域的斜率来计算。PBDB-TF：GS-ISO、e-TiO 1.62、e-TiO 1.76和e-TiO 1.89的N d分别为5.85X10 10, 6.34X10 16, 3.71X10 16和1.97X10 14 cm -3。利用ε r和N d，可以计算出PBDB-TF：GS-ISO/e-TiO x结处的e-TiO x侧的空间电荷积累区域的宽度。在作者的串联OSCs中，e-TiO x的所有厚度均为25 nm。这意味着除了PBDB-TF：GS-ISO/ e-TiO 1.89外，PBDB-TF：GS-ISO/ e-TiO 1.62和PBDB-TF：GS-ISO/e-TiO 1.76显示了超薄的空间电荷积累区域，因此e-TiO x的体电导率和界面电导率都有利于电荷传输。

图3. 沉积物的光电特征

【串联电池的性能与稳定性】

PBDB-TF：BTP-eC9被用做顶部子电池。获得了0.85 V的V oc、26.41 mA/cm 2的J sc、77.69%的FF和17.44%的PCE。使用的e-TiO 1.76串联电池PCE高达20.27%，认证为20.0%。J sc通过图4F中外部量子效率(EQE)谱计算的J sc验证，偏差小于3%。作者对电池的稳定性也进行了研究。在1个阳光光照下降解456 h后，使用e-TiO 1.76/PEDOT：PSS ICL的电池的PCE明显高于e-TiO 1.62/PEDOT：PSS ICL和e-TiO 1.89/PEDOT：PSS ICL的电池。

图4. 串联式OSCs的性质

总结，作者首次实现了超过20% PCE的有机太阳能电池。由于e-TiO 1.76/PEDOT：PSS ICL的界面整洁、高电导率、合适的能级和低肖特基势垒，相应的串联OSC表现出高达20.27%的PCE。该研究结果标志着有机太阳能电池领域20%时代的到来。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！