UCLA杨阳团队Matter：“脚手架”结构助力热稳定有机太阳能电池

来源：X一MOL资讯

溶液法加工的有机太阳能电池由于具有优越的机械柔性、可调节的吸光性以及可卷对卷生产的特点，近年来受到研究学者们的广泛关注，目前其光电转换效率已经提升至15%。然而有机太阳能材料的不稳定性问题依然是其商业化的一大阻力。有机太阳能电池的活性材料主要由给体和受体两种材料共混组成。但是在工作条件下，温度升高会使得活性层的形貌发生改变，比如高分子会发生迁移、受体会团聚等，这些亚稳态的形貌会导致有机太阳能电池在高温下的失效。目前，大多数报道的提升稳定性策略都是通过对活性层的改良和设计，而很少通过界面层的修饰来提高整体电池的稳定性。因此，加州大学洛杉矶分校（UCLA）杨阳教授团队通过使用一种“脚手架”结构的电子传输层（ETL）来解决此问题。与传统的平板传输层不同，新型电子传输层具有介孔结构，可增加与活性层之间的界面从而提高电荷的收集，相比于平板结构实现了11%左右的光电转换效率提升；更重要的是，这种介孔结构还在一定程度上阻止活性层在高温条件下形貌的变化，在120 ℃加热老化测试60分钟后，仍然保持着约70%的原始转换效率。该文发表在最近在Cell Press旗下的材料旗舰期刊Matter 上，第一作者为王睿。

图1. （A,B）平板结构与“脚手架”结构对比；（C）活性层给受体的分子结构。图片来源：Matter为了研究该“脚手架”结构ETL在有机太阳能电池中所扮演的角色，作者通过原子力电子显微镜以及扫描电子显微镜分别对平板氧化锌、平板氧化钛以及介孔氧化钛样品进行了测试。可以看出，无论平板的氧化锌材料还是平板的氧化钛材料都表现出连续且平滑的形貌，粗糙度都在1 nm左右。而相对的，介孔氧化钛的粗糙度在27.2 nm并且表面由一些小颗粒组成。这种形貌会增加与活性层之间的界面面积，从而可能提高电荷收集的效率。与此同时，这种介孔结构也在阻挡高温下活性层形貌变化的过程中起到关键作用。

图2. 电子传输层的形貌表征。图片来源：Matter基于此策略制备出的有机太阳能电池显现出了更高的光电转换效率，与基于平板氧化钛的有机太阳能电池相比，其平均光电转换效率从9.4%提高到了10.6%，最高效率达到了11.2%。其中，短路电流（Jsc）从17.7 mA cm-2提高到了20.1 mA cm-2，这与外量子效率（EQE）的测试结果一致。填充因子（FF）从67.2 %提高到了68.3%。短路电流和填充因子的提高可以归于“脚手架”结构所带来的电子传输层与活性层之间的界面面积的增加，从而提高了电荷的抽取与收集，这与之前的原子力显微镜以及扫描电子显微镜所观察到的形貌结果一致。这种“脚手架”结构ETL除了能使基于富勒烯受体的有机太阳能电池的效率明显提高，在基于非富勒的有机太阳能电池中也起到了类似的作用，这阐明了该种策略的普适性。除了光电转换效率的提高，基于这种“脚手架”结构的器件也显示出了显著提高的热稳定性。作者使用120 ℃加热老化60分钟的条件进行测试，发现基于平板传输层的有机太阳能电池的光电转换效率迅速衰减，60分钟后只能保持40%左右的初始效率。此结果与之前的相关报道一致，原因涉及给受体形貌的亚稳态导致高温下聚合物的迁移以及小分子团聚。与此相反，基于“脚手架”结构ETL的器件在加热60分钟后，光电转换效率仍然可以保持70%的初始效率。

图3. （A）“脚手架”结构与平板结构对比电池的光伏特性对比；（B）“脚手架”结构与平板结构对比电池的外量子转换效率对比；（C）“脚手架”结构与平板结构对比电池的热稳定性对比。图片来源：Matter为了更好地理解有机太阳能电池效率的提高的原因，作者进一步对引入“脚手架”结构ETL的器件和平板结构的有机太阳能电池进行了载流子抽取和载流子收集的修正光电流测试。修正的光电流定义为器件在光照下和暗态的电流之差。如果所加的偏压足够大，那么可以认为所有的光生载流子全部都会被收集，也就是饱和电流。修正光电流与饱和电流的比代表着太阳能电池的载流子抽取和收集效率。该测试结果显示，基于介孔氧化钛结构的有机太阳能电池的修正电流优先饱和，显示出了更强的载流子抽取和收集能力，这与介孔传输层增加了电子传输层与活性层之间的界面面积相关。

图4. “脚手架”结构与平板结构作为传输层的电荷收集效率对比。图片来源：Matter为了进一步深入研究“脚手架”结构在抑制有机活性层高温下形貌变化中的作用，作者对基于不同传输层的有机薄膜热退化过程前后的微观结构进行了研究。在掠入射X射线衍射测试中，作者发现在热退化测试前，基于所有不同传输层的薄膜上面都表现出了混合的“face on”或者“edge on”的排列。在热退化测试之后，基于平板传输层的活性层的薄膜变成了随机排列的取向。与此相反，基于“脚手架”结构的薄膜仍保持原有的混合的“face on”或者“edge on”的排列。这与“脚手架”结构ETL的有机太阳能电池的良好热稳定性相一致。

图5. 活性层材料在不同传输层上的热稳定测试前后的GIXD对比。图片来源：Matter综上，杨阳教授团队通过设计具有介孔结构的“脚手架”电子传输层，同时提高了有机太阳能电池的热稳定性和光电转换效率，原因在于这种介孔结构带来了电子传输层与活性层之间界面面积的增加，并且可以阻挡高温下活性层的形貌变化。这一策略有望帮助制造热稳定有机太阳能电池，从而推动其商业化发展。