基于新型界面的高效正装与倒装叠层聚合物太阳能电池学术资讯

来源：X一MOL资讯

当前世界的发展对能源的需求愈加强烈，以合理的价格利用可再生资源是最符合可持续发展的解决之道，其中开发低成本的太阳能转换器件引起了众多的兴趣。传统硅基太阳能电池技术非常成熟，已经商用，但是成本较高，而且器件无法实现柔性及半透明。相比之下，备受关注的有机太阳能电池则可以在柔性基板上制备成透明或半透明的薄膜器件。通常的有机太阳能电池器件是单层器件，而为了进一步提高光电转换效率（PCE），叠层器件也同时被开发，如今叠层器件的PCE可突破17%。有机太阳能电池常使用聚乙撑二氧噻吩-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）作为其空穴传输材料，氧化锌（ZnO）作为电子传输材料，但是由于PEDOT:PSS的酸性会导致ZnO溶解，造成结构破坏。一个简单的办法是利用中性PEDOT:PSS，但是这又会导致功函的下降而造成开路电压的降低。

最近，荷兰埃因霍温理工大学的Rene A. J. Janssen教授团队使用氧化锡（SnO2）纳米颗粒用作溶液加工的聚合物太阳能电池中的电子传输层，可直接与PEDOT:PSS空穴传输层组合使用，无需中性环境。在叠层太阳能电池器件中，PEDOT:PSS与SnO2可形成有效的互连层（interconnecting layer, ICL），包括这种有效互连层的倒装与正装叠层器件PCE可高达10.4％。

图1. 叠层器件中的正装与倒装器件结。图片来源：Solar RRL

作者首先验证SnO2在单层器件中的应用，采用的活性层为J71:ITIC。首先采用传统的器件结构作为参比，利用PDINO作为电子传输层。随后，再利用SnO2作为电子传输层分别用在倒装与正装器件中。其相关性能如表1所示，其正装器件的PCE与参比器件悬殊较小，但是倒装器件的效率有较明显的提升。

图2. 活性层的化学结构。(a) 参比器件, (b) 正装器件, (c) 倒装器件。图片来源：Solar RRL

表1. 器件参数表。图片来源：Solar RRL

随后，作者进一步验证SnO2电子传输材料在叠层器件中的效用。其后层器件采用的活性层材料为PMDPP3T与PC60BM，两者可以吸收足够的近红外区的光。表2中可以看出，实验得到的PCE与模拟的数值悬殊较少，这说明SnO2作为电子传输层非常有效。

图3. (a) 正装的叠层器件结构，(b) 倒装的叠层器件结构及两个材料的化学结构。图片来源：Solar RRL

表2. 叠层器件的参数及模拟的相关参数表。图片来源：Solar RRL

总之，市售的SnO2纳米颗粒被用于制备聚合物太阳能电池，正装结构与倒装结构都取得了良好的器件效果。PEDOT:PSS作为空穴传输材料，SnO2作为电子传输材料，两种材料不仅化学上可以相互兼容，而且可以作为叠层器件中两个子电池的互连层，其中正装器件与倒装器件分别实现了10.2%与10.4%的光电转换效率，与光学模拟的结果非常吻合。说明两者的联合可以完全作为高效的叠层电池的互连层，而不需要寻找其他额外的材料，这为叠层电池的开发、有机太阳能电池的进一步商业化提供了很多借鉴。

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