有機太陽能電池（OSCs）近年來在光伏領(lǐng)域備受關(guān)注，其低成本、輕薄柔性和可大面積制備的優(yōu)勢，使其在建筑一體化、柔性電子等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，有機太陽能電池的效率和穩(wěn)定性仍然面臨挑戰(zhàn)，其中一個關(guān)鍵問題是陰極界面層（CIL）的性能限制。
在最近發(fā)表在《先進能源材料》期刊上的重要研究中，由深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)胡漢林教授、香港理工大學(xué)李剛教授以及河南科技學(xué)院張萬慶教授等共同領(lǐng)導(dǎo)的團隊，揭示了一種利用多酚化合物改善有機太陽能電池陰極界面層的突破性策略，成功提升了有機太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，為推動有機太陽能電池的應(yīng)用發(fā)展邁出了重要一步。
【多酚優(yōu)化陰極界面層：突破性新策略】
有機太陽能電池的陰極界面層在電荷傳輸和提取過程中起著至關(guān)重要的作用。然而，由于CIL 的功函數(shù)較高以及與活性層的接觸不夠良好，會導(dǎo)致較高的界面陷阱復(fù)合，從而降低了電荷提取效率，影響電池的性能。
這項研究中，研究團隊提出了一種新穎的方法，通過引入多酚化合物——三羥基苯甲酸 (TBA) 來優(yōu)化 CIL 的電荷注入和提取過程。 通過調(diào)節(jié) TBA 的加入量，他們成功降低了 PDINN 陰極界面層的功函數(shù)，從 4.14 eV 降至 3.80 eV，并使電荷收集效率達到了 91.23%。
多酚鈍化技術(shù)能優(yōu)化有機太陽能電池效率的突破主要有以下幾個原因：
l 鈍化表面缺陷： 在有機太陽能電池中，活性層表面通常存在許多缺陷，這些缺陷會導(dǎo)致電子-空穴復(fù)合，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。多酚鈍化技術(shù)通過在活性層表面形成一層鈍化層，可以有效地鈍化這些表面缺陷，減少電子-空穴復(fù)合，從而提高電池效率。
l 提升界面接觸質(zhì)量： 有機太陽能電池的性能很大程度上依賴于電極與活性層之間的界面接觸質(zhì)量。多酚鈍化層能夠改善界面接觸，促進電荷傳輸，減少界面電阻，從而提升整體電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
l 抑制光降解： 有機材料容易受到光照的影響而降解，這會導(dǎo)致電池性能的衰減。多酚具有強抗氧化能力，能夠有效地抑制有機材料的光降解，提高電池的長期穩(wěn)定性和使用壽命。
l 調(diào)節(jié)能級匹配： 多酚鈍化層可以通過調(diào)節(jié)其厚度和化學(xué)組成，優(yōu)化有機太陽能電池中的能級匹配。這有助于更有效地進行電荷分離和傳輸，提高開路電壓和填充因子，進一步提升電池效率。
l 增強材料兼容性： 多酚是一類具有良好生物兼容性的材料，其引入不會對有機太陽能電池材料造成有害影響。此外，多酚的分子結(jié)構(gòu)多樣性使其在與各種有機光伏材料結(jié)合時具備高度的兼容性和可調(diào)性。
【多酚鈍化技術(shù)：實現(xiàn)高效和穩(wěn)定性】
研究團隊使用這種方法制備了以PM6:BTP-ec9 為活性層的雙組分有機太陽能電池。結(jié)果表明，使用多酚優(yōu)化的 CIL 制成的有機太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 從 18.2% 提高到 19.3%，該效率躋身于目前 OSCs 之列。
研究團隊使用的設(shè)備
這項研究使用了光焱科技 (Enlitech) 的以下設(shè)備來進行實驗和驗證多酚優(yōu)化CIL 的效果：
n SS-X AM1.5G 太陽模擬器: 模擬太陽光照射條件，進行光電轉(zhuǎn)換效率的測量和評估，驗證多酚優(yōu)化 CIL 后有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。
n QE-R 量子效率測試系統(tǒng): 測量有機太陽能電池的外量子效率（EQE）曲線，分析光電轉(zhuǎn)換過程中不同波長光子的利用率，進一步了解多酚優(yōu)化 CIL 后電荷傳輸和復(fù)合機制，為提高效率提供理論支持。
【研究結(jié)果：重大的科學(xué)突破和應(yīng)用前景】
這項研究成果為提高有機太陽能電池的效率和穩(wěn)定性提供了一種全新的思路。多酚化合物不僅可以有效地改善陰極界面層與活性層的接觸，還能夠提高界面處的電荷傳輸效率，抑制缺陷，最終提升了有機太陽能電池的性能。 該研究團隊認為，這項研究不僅在有機太陽能電池領(lǐng)域具有重要的科學(xué)價值，還將推動有機太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
未來，該研究團隊將繼續(xù)深入研究多酚化合物在有機太陽能電池中的應(yīng)用，探索更高效的界面鈍化策略，力爭研發(fā)出具有更高效率和更長壽命的下一代有機太陽能電池，推動有機光伏技術(shù)走向成熟應(yīng)用。
總結(jié)
深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)胡漢林教授團隊利用多酚化合物優(yōu)化陰極界面層，顯著提高了有機太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。這種新穎的策略，能夠有效地降低陰極界面層的功函數(shù)，提升電荷提取效率，終為有機光伏技術(shù)的發(fā)展帶來全新的方向和突破。
重要技術(shù)參數(shù):
有機太陽能電池轉(zhuǎn)換效率： 19.3%
關(guān)鍵材料: 三羥基苯甲酸 (TBA)
關(guān)鍵技術(shù): 多酚優(yōu)化陰極界面層
參考文獻
Optimizing of Cathode Interface Layers in Organic Solar Cells Using Polyphenols: An Effective Approach
Advanced Energy Materials 2024
【本研究參數(shù)圖】
Fig S1. (a) J-V 測試中使用的掩膜，面積為 0.0804 平方厘米；(b) EQE 校準硅電池時使用的方孔掩膜，面積為 2.5×2.5 平方毫米；(c) EQE 測試中使用的光斑尺寸，面積為 1×1 平方毫米。
Fig S2. PDINN 和 TBA 分子結(jié)構(gòu)中的偶極方向
Fig S12. (a) 基于含有 PDINN-TBA CIL 的 PM6: BTP-ec9 的 OSC 在不同條件下的 J-V 曲線。(b) 含有 PDINN 和 PDINN-TBA CIL 的基于 PM6: L8-BO: βBTCl 的 OSC 的 J-V 和 (c) EQE 曲線。
Fig S13. 基于 PM6 供體與 PDINN 和 PDINN-TBA CIL 的 OSC 的 J-V 曲線。
- 上述研究數(shù)據(jù)來自光焱科技 _ SS-X 系列 AM1.5G 太陽能模擬器和 QE-R 光伏/太陽能電池 EQE 完整解決方案 -
推薦設(shè)備
1. SS-X AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器
2. QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
文獻參考自 Advanced Energy Materials DIO:10.1002/aenm.202401741
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