广西大学阚志鹏课题组AFM：含钼半导体材料调节PEDOT:PSS本征特性实现18.9%效率的二元有机太阳能电池
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阅读： 2024/1/25 16:57:20
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前言回顾
有机太阳能电池可以设计成多层结构，包括：光活性层、电子传输层和空穴传输层等。这些多层结构可以改善电荷分离和传输，提高电池效率。电池中的界面层（例如：电子传输层和空穴传输层）的选择和设计对电荷分离和电流传输至关重要。界面工程是有机太阳能电池中的一个关键领域，它涉及到电池内不同材料之间的接触界面的设计和优化，以确保有效的电荷分离和传输。界面工程在提高有机太阳能电池性能和效率方面发挥着重要作用。这一领域的研究和创新持续推动着有机太阳能电池技术的进步。
近年来，随着Y-系列非富勒烯受体分子材料（如：Y6，N3，BTP-eC9，L8-BO等）的发展，有机太阳能电池效率不断攀升，目前单结器件效率已经接近20%。目前最常用的空穴传输层为导电聚合物PEDOT:PSS[聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）]，其具有导电、光学透明、可溶液涂布等优点，亦存在以下不足：酸性强、易于吸湿、在活性层表面浸润性差，这些缺点限制了有机光伏电池的效率和稳定性。PEDOT:PSS的上述问题长期被有机光电子领域所关注，但目前尚未有理想的解决方案。
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文献简介
有鉴于此，近日广西大学物理科学与工程技术学院阚志鹏教授团队系统地研究了两种含钼半导体材料（MCSs），即三氧化钼（MoO3）和二硫化钼（MoS2）分别对PEDOT:PSS本征特性的影响。对于PEDOT: PSS的掺杂其主要目的是提升电学性能，通常是提高PEDOT: PSS的电导率，优化其能级结构，提高功函数，其主要机制为：（1）使掺杂物与冗余的绝缘体基团PSS进行结合，使得导电PEDOT聚合物链的构象发生转变，链与链之间的相互作用更加明显，相分离和重新定向的PEDOT链将使电荷跃迁变得更容易，最终导电性显著提升；（2）加入的掺杂物能够中和一部分PEDOT: PSS的酸性，进而提升光电性能。
图1：PEDOT:PSS形态变化示意图与PP、MOPP和MSPP溶液的pH值测试。
注：图中缩写PP、MOPP和MSPP分别代表PEDOT:PSS、MoO3-PEDOT:PSS和MoS2-PEDOT:PSS。
图2：掺杂MCSs前后PEDOT:PSS中的电荷转移示意图以及PEDOT:PSS、MCSs、MCSs掺杂PEDOT:PSS三种空穴传输层中的载流子传输示意图。
图3：材料分子结构及器件J-V、EQE曲线。
图4：PP、MOPP和MSPP三种空穴传输层XPS谱图、UPS谱图以及器件光伏性能比较，器件结构为ITO/空穴传输层/PM6:Y6/PDIN/Ag。
图5：PP、MOPP、MSPP薄膜XPS的S 2p谱图以及三种空穴传输层的二维 GIWAXS谱图。
结果显示，MCSs诱导PEDOT:PSS聚集模式、组分含量与能级排列产生变化。聚集模式形成易导电的结构，组分含量影响PEDOT:PSS溶液的酸性，而能级变化增强PEDOT:PSS薄膜的电子阻挡能力。这些综合特性协同作用提高了二元有机太阳能电池的效率，在以PM6:Y6、PM6:L8-BO为活性层的器件中分别达到了18.0%与18.9%的冠军效率。
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文献总结
综上，我们提供了一种简单的掺杂方法来改善PEDOT:PSS本征特性，使其聚集形态发生了有利的变化，进一步使PEDOT:PSS薄膜的电导率提高、酸性降低以及电子阻挡能力增强，从而提高了器件的JSC和FF。我们的研究结果为优化设计空穴传输层以制造高效率的二元非富勒烯有机太阳能电池提供了宝贵的实验依据。相关研究成果发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上，题为“18.9% Efficiency Binary Organic Solar Cells Enabled by Regulating the Intrinsic Properties of PEDOT:PSS”。
本文关键词：PEDOT:PSS，导电性，酸性，空穴提取。
转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号
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