高效有机太阳能电池材料中氧化锌后处理的优化策略及其界面工程研究

这篇综述深入探讨了氧化锌(ZnO)作为有机太阳能电池(OSCs)电子传输层(ETM)的关键改性策略。研究通过钙测试、空间电荷限制电流(SCLC)测量和漂移扩散模拟，系统分析了热退火、紫外(UV)处理和真空处理对ZnO性能的影响，特别揭示了PM6:Y6体系对ZnO氧敏感性的独特机制，为开发低温可加工的高效稳定界面材料提供了重要指导。

　　

氧化锌界面层的优化革命

Abstract

氧化锌(ZnO)作为第一代有机光伏(OPV)材料中成熟的电子传输层，在面对效率突破20%的新型非富勒烯受体(NFA)材料时暴露出明显局限。研究发现光照下活性层与ZnO的相互作用会严重制约器件效率和稳定性。通过热退火、紫外照射和真空处理等多种ZnO后处理方案的比较，钙测试直观显示出ZnO释放活性组分的过程，而空间电荷限制电流(SCLC)测量结合漂移扩散模拟则成功构建了能级排列模型。尤为关键的是，在高性能材料体系中发现与ZnO处理不足相关的永久性短路电流密度(J_sc)损失，而真空条件下的紫外处理可显著降低这种损失，并将ZnO退火温度降至80°C。

1 Introduction

近年来，有机太阳能电池(OSCs)效率已提升至约20%，这主要归功于非富勒烯受体(NFA)材料的突破。无机n型ZnO因其高透光率、导电性和电子电荷选择性成为常用电子传输材料(ETM)，其低温加工特性尤其适合柔性聚合物基板上的卷对卷(roll-to-roll)工艺。

1950年代首次报道的"光浸泡(light-soaking)"效应揭示了UV照射下ZnO电导率的突增现象。质量谱研究观察到UV照射会导致ZnO释放氧气和水，阻抗分析则可区分水和氧对ZnO导电性的不同影响：水通过物理吸附可被氮气有效去除，而氧的化学吸附需要UV照射才能消除。更有趣的是，质谱还检测到CO₂释放，表明UV可能引发ZnO与碳氢化合物的光催化反应。

尽管研究者尝试用AZO、SnO₂和TiO_x等材料替代ZnO，但ZnO目前仍是卷对卷工艺的首选界面层。早期测试显示，PM6:Y6在ZnO退火温度80°C时效率仅4%，而250°C可达最佳性能。光氧化测试揭示ITIC等NFA材料的光氧化速率比PCBM快两个数量级，这可能是ZnO释放氧导致器件性能下降的关键因素。

2 Results and Discussion

扫描电镜(SEM)显示不同处理的ZnO形貌无明显变化，但钙测试结果差异显著：80°C退火的ZnO导致钙完全氧化，200°C退火后钙部分保留，而真空UV处理即使80°C也能完全抑制钙氧化。SnO₂在所有条件下均未引起钙反应。

SCLC测量揭示了ZnO处理对能级排列的影响：PM6:Y6器件中，80°C退火ZnO初始注入势垒高达0.48eV，200°C降至0.43eV，光浸泡后均稳定在0.36eV，与真空UV处理的初始值一致。电致发光(EL)成像显示200°C退火ZnO初始不均匀，40小时光浸泡后变得均匀，而SnO₂始终均匀。值得注意的是，SnO₂虽能减轻光浸泡效应，但在UV照射下表现出更快的性能衰减。

瞬态光电压(TPV)和电荷提取(CE)测试表明，光浸泡主要引起电压偏移而非重组动力学改变。不同活性层材料的比较显示PM6:Y6的光浸泡动力学异常迅速（约5小时），且与光强无关；而P3HT-ehIDTBR和PCE10-ehIDTBR需要40小时以上。这种差异可能源于PM6:Y6对ZnO释放氧的快速反应特性。

真空UV处理使PM6:Y12的初始J_sc显著提高，P3HT-ehIDTBR不受影响，PCE10-ehIDTBR则出现轻微下降。这证实了ZnO处理对Y系列受体的特殊重要性，而IDTBR体系因自身抗氧化性强而表现稳定。

3 Summary and Conclusion

研究系统揭示了ZnO界面层的三大关键因素：能级势垒（表现为IV曲线s形）、电导率变化（体现为串联电阻改变）和永久性J_sc损失（源于活性层与ZnO释放氧的反应）。特别值得注意的是，PM6:Y6等新型材料在首次IV测试前就可能因ZnO处理不足遭受不可逆损伤，这一现象在传统材料体系如P3HT-ehIDTBR中并不明显。真空UV处理能在80°C低温下有效优化ZnO性能，为卷对卷工艺和叠层太阳能电池提供了重要解决方案。