《Journal of Energy Chemistry》：Overcoming optical/electrical losses in ultra-thin PEDOT:PSS-based interconnecting layers for efficient tandem solar cells
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通过将碱金属碳酸盐（AMC）掺杂到PEDOT:PSS薄膜中，优化了串联太阳能电池（TSCs）的互联层（ICL）性能，显著降低光吸收和电导率损耗，使有机同质TSCs和钙钛矿/有机TSCs的功率转换效率分别达到20.04%和26.05%。
郭冰|吴瑞涵|王森尧|李佳琪|康斌|姚朝阳|万向健|李晨曦|孟雷|李永芳|陈永生
中国天津市南开大学化学学院，新有机物质前沿科学中心、纳米科学与技术国家重点实验室、功能聚合物材料重点实验室、可再生能源转换与存储中心（RECAST），元素有机化学国家重点实验室
摘要
互连层（ICL）在串联式叠层太阳能电池（TSCs）中起着关键作用。然而，常用的空穴传输层PEDOT:PSS仍存在不可忽视的光吸收现象，这成为进一步提高TSCs光伏性能的障碍。本文提出了一种通过碱金属碳酸盐（AMC）掺杂重构PEDOT:PSS薄膜来减轻其光学和电学损耗的有效策略。AMC掺杂可增加PEDOT在PEDOT:PSS薄膜中的比例，使其既能保持超薄厚度，又能有效隔离相邻的活性层。综合表征表明，AMC掺杂提高了PEDOT:PSS薄膜的透射率、降低了电阻，并优化了表面形态。结果表明，经过AMC掺杂后，不同活性层组合的TSCs的短路电流密度（Jsc）和光电转换效率（PCE）均有所提升，显示出其在TSCs应用中的良好普适性。值得注意的是，有机同质TSCs和钙钛矿/有机TSCs的PCE分别达到了20.04%和26.05%。我们的工作凸显了AMC掺杂在优化ICL中PEDOT:PSS薄膜方面的巨大潜力，为制备高效TSCs提供了创新途径。
引言
叠层太阳能电池（TSCs）被认为是克服单结太阳能电池效率限制的有希望的解决方案，因为单结电池存在显著的传输损耗和热化损耗[[1], [2], [3], [4], [5]]。根据Shockley和Queisser的理论计算，单结电池在1太阳光强度下仅能转换30%的太阳能，而叠层电池则可转换42%[[6,7]]。TSCs通常由三个部分组成：前子电池、后子电池以及连接两子电池的互连层（ICL）。ICL主要由空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL）构成，它能够收集来自子电池的光生载流子并促进其高效复合，这对TSCs的性能至关重要。理想的ICL需要满足多个关键要求，包括物理/化学稳定性、高透射率、足够的电导率等[[5]]。
在这些ICL中，金属氧化物（ZnO和SnO2）作为ETL，以及聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）作为HTL的组合，在有机/有机TSCs以及钙钛矿相关叠层光伏器件（钙钛矿/钙钛矿、钙钛矿/有机和钙钛矿/硅TSCs）中被广泛采用[[2,4,8]]。除了基本的稳定性要求外，高透射率和足够的电导率也非常重要。有时会在ICL中使用超薄金属层[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]以促进高效复合，但这些金属层会严重吸收光能，导致电流降低。已有研究表明，某些透明导电氧化物（如ITO或IZO[[20], [21], [22]]和氧化石墨烯[[23]]复合层可以显著减少光损耗，并为载流子传输提供有效的欧姆接触。为了提高PEDOT:PSS的电导率，人们采用了酸掺杂[[24]]和自组装单体[[16,25]]等方法来改善载流子的收集和传输。尽管在ICL优化方面付出了大量努力，但光损耗仍然存在，限制了TSCs的性能。与高透明度（甚至具有抗反射性能）的金属氧化物ETL相比，PEDOT:PSS层在可见光和近红外区域仍存在不可忽视的光吸收。然而，关于提高ICL中PEDOT:PSS层透射率的研究较少。
在本研究中，我们采用碱金属碳酸盐（AMC）掺杂PEDOT:PSS，以改善其透射率和TSCs的性能。研究发现，AMC掺杂可以优化PEDOT:PSS薄膜的组成，使其最佳厚度更薄，从而提高透射率。较高的PEDOT含量使薄膜即使在非常薄的厚度下也能有效阻挡溶剂渗透。此外，掺杂后的PEDOT:PSS薄膜电阻降低，有利于载流子的传输。结果表明，经过AMC掺杂后，不同活性层组合的TSCs的短路电流密度（Jsc）和光电转换效率（PCE）均有所提升。值得注意的是，有机同质TSCs和钙钛矿/有机TSCs的PCE分别达到了20.04%和26.05%。这些发现表明，AMC掺杂在优化ICL中的PEDOT:PSS薄膜方面具有巨大潜力。
材料
PM6从Hyper, Inc.购买；L8-BO和BTP-eC9从Solarmer Material购买；CH22根据已有文献[26]的方法合成；(2-(9H-咔唑-9-基)乙基)膦酸（2PACz）从Hyper, Inc.购买；氟掺杂氧化锡（FTO）玻璃、氧化铟锡（ITO）玻璃、氟化亚胺（FAI）、碘化甲铵（MAI）、碘化铅（PbI2，纯度99.999%）、溴化铅（PbBr2，纯度99.999%）和(4-(7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)丁基)膦酸（4PADCB）也来自相同供应商。
结果与讨论
本研究中使用的叠层太阳能电池结构如图1a所示。互连层（ICL）由ZnO或原子层沉积（ALD）SnOx作为电子传输层，PEDOT:PSS作为空穴传输层组成。为了研究PEDOT:PSS层对TSCs光伏性能的影响，我们通过用三种不同的碱金属碳酸盐（AMCs）对其进行掺杂，以调节其光电性质，同时保持其他参数不变。
结论
总之，我们开发了一种AMC掺杂策略，用于重构ICL中的PEDOT:PSS薄膜，有效提升了TSCs的性能。XPS数据分析表明，AMC掺杂可使PEDOT:PSS薄膜中的PEDOT比例逐渐增加。这种重构使得ICL中的PEDOT:PSS薄膜既超薄又足够坚固，能够保护前电池的活性层免受后续处理的影响。经过AMC掺杂的薄PEDOT:PSS薄膜电阻降低，表面粗糙度增加，这些变化都有利于载流子的传输。
CRediT作者贡献声明
郭冰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。吴瑞涵：方法学设计、实验研究。王森尧：方法学设计、实验研究。李佳琪：方法学设计、实验研究。康斌：方法学设计。姚朝阳：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计。万向健：方法学设计。李晨曦：方法学设计。孟雷：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计。李永芳：方法学设计。陈永生：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFE0210400）和中国国家自然科学基金（62404222、22479081和22361132530）的支持。
