高功函数n型薄膜改变了MoO?/阳极界面，从而提高了倒置有机太阳能电池的效率

《Synthetic Metals》：A high-work function n-type thin film modifies the MoO 3/anode interface for the efficiency increase of inverted organic solar cell

有机太阳能电池（OSCs）中采用MoO3和HAT-CN作为阳极修饰层，通过调节厚度和顺序优化界面。研究发现，5 nm MoO3/2 nm HAT-CN/Al结构效率最高（13.98%），较单一层或反向顺序结构提升显著。原因包括：2 nm HAT-CN抑制Al扩散，阻断MoO3功函数衰减；同时Al的n掺杂中和MoO3的p掺杂效应，增强电荷传输。XPS和AFM分析表明，HAT-CN厚度2 nm时界面电荷平衡最佳，表面粗糙度降低至1.58 nm，抑制 exciton淬灭。该研究为高效率 inverted OSCs的界面设计提供新策略。

　　有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）因其轻质、柔性、可大面积制备等优势，在室内、半透明以及农业光伏等新兴领域展现出巨大的应用潜力。然而，尽管传统的 OSCs 已经在光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）方面取得了显著进展，达到 20-21% 的水平，但其商业化进程仍受到某些材料性能的限制。特别是，传统 OSCs 使用的阳极修饰层（Anode-Modifying Layer, AML）和阴极修饰层（Cathode-Modifying Layer, CML）往往具有吸湿性和酸性，这使得它们在封装条件下仍容易受到水分侵蚀，从而影响电池的长期稳定性。相比之下，倒置结构的 OSCs 在水分影响方面表现出更强的耐受性，因为其使用的 AML 和 CML 材料通常不易溶于水或酒精。尽管如此，倒置 OSCs 的 PCE 仍然低于传统 OSCs，目前约为 19-20%。因此，提高倒置 OSCs 的性能仍然是当前研究的重要方向之一。

在倒置 OSCs 中，阳极修饰层通常由高功函数的 n 型材料构成，如 MoO? 和 1,4,5,8,9,11-六氮杂三苯环六氰基化合物（HAT-CN）。MoO? 由于其非常高的功函数（6.9 eV）以及良好的稳定性，是倒置 OSCs 中最常被使用的 AML 材料。然而，MoO? 在使用过程中不可避免地会与阳极材料（如 Al）发生原子扩散，这种扩散会降低 MoO? 的功函数，从而限制其性能表现。为了防止这种扩散，研究人员尝试在 MoO? 和阳极之间插入一层薄的中间层，例如聚乙烯亚胺乙氧基化物（PEIE）和 ytterbium n-doped bathocuproine（BCP:Yb）。尽管这些中间层在一定程度上改善了倒置 OSCs 的性能，但它们的引入也增加了器件复杂度，且某些材料（如 PEIE）可能会分解非富勒烯受体，影响器件的稳定性。

为了解决这些问题，本研究尝试使用 HAT-CN 和 MoO? 作为阳极修饰层，通过它们对 MoO?/Al 和 HAT-CN/Al 接界面的改性，来提升倒置 OSCs 的性能。实验结果表明，5 nm MoO?/Al 的倒置 OSCs 相比于 10 nm HAT-CN/Al，具有更高的开路电压（Voc），但短路电流密度（Jsc）较低，其整体效率为 12.23%，略高于 HAT-CN/Al 的 11.98%。然而，当在 MoO? 和 Al 之间引入 2 nm 的 HAT-CN 作为中间层时，形成的 5 nm MoO?/2 nm HAT-CN/Al 接口展现出显著的效率提升，达到 13.98%。这一结果表明，薄层 HAT-CN 的引入能够有效改善 MoO?/Al 接口，而 5 nm HAT-CN/5 nm MoO?/Al 的结构则未能表现出类似的性能提升。

从实验数据来看，当 HAT-CN 的厚度从 5 nm 增加到 10 nm 时，倒置 OSCs 的 Voc 增加，随后又有所下降，而 Jsc 则呈现先上升后下降的趋势。这种变化表明，HAT-CN 的最佳厚度约为 10 nm，此时器件性能达到最优。然而，当 MoO? 与 HAT-CN 组合使用时，若 HAT-CN 的厚度为 2 nm，则整体效率显著提高，远高于其他结构。这说明，MoO? 与 HAT-CN 的组合使用可以优化倒置 OSCs 的性能，但需要注意两者的沉积顺序和厚度配比。

在光电子性质方面，研究通过光学吸收光谱和 X 射线光电子能谱（XPS）分析了 HAT-CN 和 MoO? 在倒置 OSCs 中的作用。HAT-CN 与 Al 的相互作用形成了一定的电荷转移态，表明 Al 具有 n 型掺杂作用，能够向 HAT-CN 中注入电子。同时，MoO? 与 HAT-CN 的相互作用表现出一定的 p 型掺杂效应，即 MoO? 会从 HAT-CN 中提取电子，从而在 HAT-CN 中产生局部空穴。这些空穴会与 HAT-CN 中的电子发生非辐射复合，降低器件效率。然而，当 HAT-CN 的厚度为 2 nm 时，这种空穴的局部化程度较低，电子传输效率得以提升，从而显著提高了器件的整体性能。

进一步研究还发现，Al 的扩散对 MoO? 的功函数具有一定的抑制作用，而 HAT-CN 能够有效阻挡这种扩散，从而保护 MoO? 的高功函数特性。这一特性使得 HAT-CN 与 MoO? 的组合在倒置 OSCs 中展现出更好的性能。同时，HAT-CN 的光学吸收特性表明，它在可见光范围内几乎透明，而 MoO? 则具有较高的折射率和较低的吸收率，有助于光的传输和吸收。

在实验过程中，研究者通过不同的沉积顺序和厚度组合，对倒置 OSCs 的性能进行了系统研究。例如，当 MoO? 与 HAT-CN 以 5 nm/2 nm 的比例沉积时，器件的 Voc 显著提高，而 Jsc 也保持在较高水平，整体效率达到 13.98%。这表明，这种组合能够有效提升倒置 OSCs 的性能。相比之下，当 MoO? 与 HAT-CN 的厚度比例为 5 nm/8 nm 时，器件的效率下降，这可能是由于 HAT-CN 厚度过大导致 Al 的扩散受限，从而影响了 MoO? 的功函数和电子传输效率。

此外，研究还探讨了不同厚度的 AML 对倒置 OSCs 光电性能的影响。例如，5 nm MoO?/Al 的 Voc 高于 10 nm HAT-CN/Al，这可能与 MoO? 的高功函数有关。然而，HAT-CN/Al 的 Jsc 更高，这可能是由于 HAT-CN 的光学吸收特性更好，能够更有效地捕获光子并生成电流。这一结果表明，HAT-CN 和 MoO? 在倒置 OSCs 中具有不同的作用机制，且它们的组合使用能够优化器件的性能。

研究还通过表面形貌分析（如原子力显微镜 AFM）探讨了不同 AML 的沉积对器件表面粗糙度的影响。结果显示，MoO?/HAT-CN 的组合能够有效降低表面粗糙度，从而改善光的散射和传输效率。这一特性对于提高倒置 OSCs 的整体性能具有重要意义。

最后，研究者总结了 HAT-CN 和 MoO? 在倒置 OSCs 中的作用机制。他们认为，HAT-CN 和 MoO? 的相互作用能够通过 p 型和 n 型掺杂效应，优化器件的电荷传输和界面性能。此外，HAT-CN 能够有效阻挡 Al 的扩散，从而保持 MoO? 的高功函数特性，减少光生激子的淬灭效应。这些发现为未来倒置 OSCs 的性能优化提供了重要的理论依据和实验支持。