通过“双层手术”实现的高效稳定层层有机太阳能电池

《Chemical Engineering Journal》：Efficient and stable layer-by-layer organic solar cells enabled by “double-layer surgery”

　　

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  首次提出“双层手术”策略，即在下层给体层中独立添加纳米纤维形态调节剂，并在上层受体层中独立添加n型掺杂剂。
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  系统研究了烷氧基噻吩衍生物和掺杂剂TAM对PM6和L8-BO的影响。
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  基于PM6/L8-BO和PM6:D18/L8-BO器件分别实现了20.10%和20.55%的能量转换效率。
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  “双层手术”策略在目标逐层器件中的光稳定性和普适性也得到了验证。

引言

近年来，分子设计和器件工程方面的进展极大地加速了有机太阳能电池（OSCs）的发展，使最先进的器件能够实现超过21%的能量转换效率（PCEs）[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]。这些创纪录的器件主要通过体异质结（BHJ）结构实现，该结构利用混合的给体-受体活性层。BHJ通常形成纳米级域网络，最大化给体-受体界面面积，并减少激子解离所需的传输距离。然而，尽管具有这些结构优势，传统BHJ系统仍面临电荷传输效率低和陷阱态浓度高的问题，这两者都源于有机半导体固有的结构无序性。逐层（LbL）器件通过依次沉积给体和受体组分形成活性层，已引起广泛关注。这种结构促进了垂直相分离，与薄膜中电荷传输方向一致，有效减少了双分子复合[13]，[14]，[15]。LbL器件的关键优势在于能够根据每个组成层的独特特性定制加工条件。这种精确的结构控制显著改善了最终器件性能。历史上，许多先前的研究探索了单独优化给体或受体组分以改善薄膜形貌，从而提高光伏性能[16]，[17]，[18]。尽管这种单侧“手术”可以改善形貌，但持续存在的问题——如电荷转移不平衡和载流子传输不良——仍然限制了器件效率。最近，通过分别在给体和受体层中独立使用特定固体添加剂，实现了高效LbL OSC。例如，Bo等人通过在D18层中掺杂FeCl₃并将宽带隙聚合物PFO添加到上层L8-BO层中，开发了高性能LbL器件[19]。FeCl₃的引入有效增加了D18中的空穴密度和迁移率，而PFO改善了L8-BO的形貌并延长了激子寿命。值得注意的是，在独立双重掺杂的LbL器件中实现了19.17%的PCE，超过了单掺杂对应物（仅D18为18.12%，仅L8-BO为18.79%）的性能。在最近的一项研究中，Liu等人利用F4TCNQ和DMBI分别在LbL结构的给体和受体层中作为p型和n型掺杂剂[20]。通过抑制陷阱深度和态密度，同时增强内建电势和空穴转移效率，该方法实现了20.5%的高PCE，超过了对照组（19.5%）和直接掺杂对应物（19.1%）的效率。上述研究表明，同时向给体和受体层施加不同的掺杂剂可以改善形貌并减少陷阱态，从而提高载流子迁移率并显著提升整体器件性能。尽管取得了这些进展，但将底层形态调节剂与上层掺杂剂进行战略配对仍然并非易事。通过这种方法成功优化活性层对于实现降低陷阱密度、延长激子扩散长度和改善载流子迁移率至关重要。

本工作提出了一种用于优化LbL OSC性能的“双层手术”策略。通过在PM6层中掺入烷氧基噻吩衍生物（MOT、EDOT、PDOT）作为形态调节剂，我们成功实现了纳米纤维网络结构。通过掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和原子力显微镜（AFM）的表征表明，添加剂的掺入通过促进纤维网络形貌和增强结晶度来优化底层PM6层，从而延长激子扩散长度（L_D）并增强空穴传输。此外，三氨基甲烷衍生物TAM首次被用作n型掺杂剂。TAM已被证明具有出色的抗衡离子-半导体混溶性、高掺杂效率以及均匀的薄膜形貌，在掺杂体系中创下了21?S?cm^?1的n型电导率记录[21]。有趣的是，用TAM掺杂上层L8-BO层降低了陷阱态密度（tDOS）并增强了介电常数（ε_r），这共同减少了能量无序并改善了电荷传输性能。通过应用这种“双层手术”方法——将溶剂添加剂和n型掺杂剂分别引入LbL活性膜的相应层中——可以有效平衡电荷载流子传输，最终提高OSC的整体性能。通过优化两层，PM6/L8-BO和PM6:D18/L8-BO器件分别实现了20.10%和20.55%的出色PCE。此外，器件表现出卓越的工作稳定性，在连续光照1100小时后保持了初始PCE的89%。此外，这种“双层手术”策略的通用性已在其他主流材料体系中得到证实。除了在OSC中率先使用n型掺杂剂TAM外，本工作还开发了一种稳健的“双层手术”技术，以实现高性能和耐用的LbL器件。

章节摘要

结果与讨论

为了研究基于LbL的器件，采用标准的ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINN/Ag结构制备了有机光伏器件。将烷氧基噻吩衍生的添加剂掺入底层PM6层以调节其堆叠形貌，而上层L8-BO层则掺杂TAM以增强电子传输。这些涉及材料的化学结构如图1a所示。关于通过“双层手术”优化器件的详细内容

结论

总之，将“双层手术”方法应用于LbL器件结构，实现了高性能OSC的制备。将烷氧基噻吩掺入底层PM6层促进了PM6的纳米纤维形貌，改善了分子有序性和结晶度。同时，用TAM掺杂顶层L8-BO层调节了电子传输，降低了陷阱密度和能量无序，提高了电子迁移率。重要的是，“双层手术”产生了一种

CRediT作者贡献声明

Dou Luo: 撰写——初稿。 Jie Zeng: 调查。 Lanqing Li: 调查。 Baomin Xu: 调查。 Yu Hou: 调查。 Lifu Zhang: 方法学。 Aung Ko Ko Kyaw: 撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不知道可能影响本文报告的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（22509176）和广东省自然科学基金（2024A1515010773）的支持。

Dou Luo|Jie Zeng|Lanqing Li|Baomin Xu|Yu Hou|Lifu Zhang|Aung Ko Ko Kyaw