▲第一作者：熊霞 通讯作者：裴素朋、朱磊 通讯单位：上海应用技术大学、上海交通大学 论文DOI：10.1021/acsenergylett.1c01730 01 全文速览 该工作采用三聚氰胺（MA）掺杂阴极界面材料PFN-Br，通过简单的物理共混方法对阴极界面层进行改性，获得了器件性能的显著提升。MA掺杂后，器件的电子迁移率提升，与空穴迁移率更加匹配。同时载流子传输性能得到改善，界面提取效率提高，界面复合降低。该方法在多个体系中均适用，具有较好的普适性。 02 背景介绍 有机太阳能电池因其柔性、质轻、可印刷加工等优点，被认为是一种有巨大潜力的光电转换器件。随着有机半导体材料结构设计的改进、活性层形貌的优化、器件结构的突破以及界面工程的发展，有机太阳能电池在能量转换效率方面取得了显著进展。目前，基于本体异质结结构的电池器件效率已超过19%，并向着20%的目标迈进。 目前为止，大多数研究工作集中在新材料的设计和活性层形貌调控方面。材料电子结构的优化可以从本质上改变其光谱吸收范围和能级，以更好地匹配不同的给体或受体材料，而薄膜形貌会影响激子解离和载流子传输。这些都与器件性能密切相关，提高器件性能的关键问题是如何最大限度地利用产生的激子和载流子。 界面修饰层在提高光伏器件性能方面扮演了重要的角色。一个优秀的界面层可以改善活性层与电极之间的接触，提高载流子提取效率，抑制复合。同时，界面层还能够调节电极的功函，提高电荷提取能力。此外，界面层对器件的稳定性也有重要影响，合适的界面层材料可以显著提高器件的长期稳定性。 03 研究出发点 从阴极界面的角度出发，考虑到PM6:Y6体系中相对较低的电子迁移率，将三聚氰胺(MA)掺杂到阴极界面材料PFN-Br中，以通过简单的物理共混掺杂方式对界面层性能进行改善并提升器件性能。相比通过改变化学结构的调节方法，这种方式更为简单有效，且连续可调。 04 图文解析 以PM6:Y6作为活性层，PFN-Br作为电子传输层。通过对电子传输层掺杂不同含量的三聚氰胺（MA）来调节阴极界面的性能，发现在MA掺杂量为0.25%时效果最佳。未掺杂的器件效率为16.54%，掺杂后的器件效率显著提升至17.44%，开路电压、短路电流和填充因子都有不同程度的提升。▲Fig. 1 (a) Device structure of the OSCs and the chemical structures of PFN-Br and MA. (b) The schematic diagram of the working mechanism of the OSCs. (c) The chemical structures of PM6 and Y6. J-V (d) and EQE (e, with integrated Jsc) curves and violin plots of PCE distribution (f) of the device with 0% and 0.25% MA-doped CI. 对MA掺杂前后的PFN-Br进行了电子自旋共振测试。发现MA掺杂后有明显的信号峰出现，说明了体系内有自由基生成，证实了MA与PFN-Br之间的电荷转移以及MA对PFN-Br的掺杂作用。进一步测试了掺杂前后的紫外光电子能谱，发现MA掺杂后费米能级向LUMO能级移动，再次证明了MA对PFN-Br的n型掺杂。同时功函的降低有利于活性层与电极之间形成更好的欧姆接触，提高内建电势，有利于载流子的提取。▲Fig. 2 Electron spin resonance spectra (a) and UPS spectra (b) of PFN-Br and MA-doped PFN-Br. (c) The energy level line-up for PFN-Br and MA-doped PFN-Br. 器件的暗电流测试结果表明，MA掺杂PFN-Br后，漏电流减小，有利于提高开压和短路电流，器件表现出更好的整流效果。光生电流对有效电压的依赖性测试结果表明MA掺杂可以有效降低达到饱和电流所需要的电压值，提高了电荷的提取能力。同时，掺杂后的器件表现出更高的电子迁移率，使得载流子迁移率更加平衡。▲Fig. 3 Dark current (a), characteristics of the photocurrent density versus effective voltage (b) of the device with 0% and 0.25% MA-doped CI. (c) SCLC measurement for electron-only devices with different CI doping concentrations. 通过瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测试表征了器件的电荷复合动力学。结果表明MA掺杂后载流子寿命在不同光强下均显著提升，说明载流子的湮灭路径被抑制，界面处的缺陷态密度降低。结合TPC结果，得出非成对复合是主要的损耗通道。最后得到了复合速率系数，发现MA掺杂后，器件的复合速率降低了近一个量级。▲Fig. 4 Lifetime (a) and charge-carriers density (b) curves of the devices with 0% and 0.25% MA-doped CI under different Voc conditions and the derived curves of charge lifetime under different charge density (c). (d) The determined non-geminate recombination rate coefficient for the devices with different MA-doping content in CI. 最后，我们将该策略应用于多个活性层体系，发现采用MA掺杂界面的器件性能均有明显提升，其中PM6:BTP-eC9二元器件性能从18.01%提升至18.58%。且开路电压、短路电流和填充因子均有不同程度的提升。同时MA掺杂后，PFN-Br的界面层厚度的有效工作范围增大，提高了器件制备的加工窗口。▲Fig. 5J-V curves (a) and the violin plots of PCE distribution (b) of the device with or without MA-doped PFN-Br CI in different electrode material and the active layer based on different NFAs or fullerene acceptor (A: PM6:Y6/PFN-Br/Al, B: PM6:Y6/PFN-Br+0.25% MA/Al, C: PM6:BTP-eC9/PFN-Br/Ag, D: PM6:BTP-eC9/PFN-Br+0.25% MA/Ag, E: PM6:IT4F/PFN-Br/Ag, F: PM6:IT4F/PFN-Br+0.25% MA/Ag, G: PCE10:PC71BM/PFN-Br/Ag, H: PCE10:PC71BM/PFN-Br+0.25% MA/Ag). 05 总结与展望 通过对PFN-Br的掺杂改性实现了有机太阳能电池器件性能的显著提升。以三聚氰胺作为掺杂剂，通过优化掺杂量，将PM6: Y6体系的器件性能从16.54%提升至17.44%。MA的加入可使活性层与电极之间形成更好的欧姆接触，提高了电子提取效率，同时界面复合得到抑制，器件性能整体得到提升。该方法具有很好的普适性，且效果明显，为后续高效率器件的制备提供了新的途径。 06 作者介绍 裴素朋校聘教授：博士学位，上海应用技术大学化学与环境工程学院教师。以第一作者或通讯作者在Appl.Catal.A-Gen.,RSCAdvanced，J.ColloidInterfaceSci.等国内外学术刊物上发表研究论文40余篇，申请（或授权）中国发明专利18项。先后承担（或参与）国家科技支撑计划重大项目、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、上海市科技创新计划高技术领域项目、上海市联盟计划等研究项目, 具有多年的产学研合作经验。 朱磊博士：上海交通大学化学化工学院博士后。2017年毕业于北京化工大学材料科学与工程学院获工学博士学位，随后前往美国劳伦斯伯克利国家实验室交流访问。2018-2020年在华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室进行博士后研究工作，2020年至今在上海交通大学刘烽教授课题组从事博士后研究工作。以第一作者或通讯作者在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci., Nat. Commun., Matter, ACS Energy Lett., J. Mater. Chem. A, Org. Electron. 等国内外学术刊物上发表研究论文。先后承担国家自然青年科学基金和中国博士后科学基金。 原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c01730 相关推荐1. 仪器表征基础知识汇总2. SCI论文写作专题汇总3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总4. 理论化学基础知识汇总5. 催化板块汇总6. 电化学-电池相关内容汇总贴7. 研之成理名师志汇总更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。