华南理工於黄忠团队CEJ：天然抗氧化剂改性ZnO表面用以制备高效稳定的倒置有机太阳能电池

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）具有低成本、重量轻、大面积印刷和灵活性等优点，是最有前景的新型光伏器件之一。越来越多研究人员正致力于活性层材料的合成、界面工程和器件结构的设计，从而提高OSCs的器件性能，推动其实际应用和商业化。最近，非富勒烯受体的发展使得单结OSCs的功率转换效率（PCE）超过了19%。尽管光活性层的优化是提高OSCs光伏性能的关键，但界面层在获得高效率器件方面也起着重要作用。界面层不仅在光活性层和电极之间形成良好的欧姆接触，降低电荷传输的势垒，而且还可以保护光活性层免受外部水或氧气的损坏。

目前光电器件中最常用的电子传输层（ETL）是n型金属氧化物（TiOx、SnO2和ZnO）和二维（2D）材料、聚合物材料（PFN、PNDIT-F3N）等。在这些ETL材料中，ZnO是倒置OSCs中研究最广泛的一种，其具有高电子迁移率、良好的透射率、环境稳定性和低成本。然而，作为ETL的ZnO有非常客观的改进空间，例如ZnO与倒置器件中受体材料的LUMO能级之间的匹配不良、亲水性ZnO和疏水活性层之间的界面不相容。此外，在使用溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜的过程中，很容易形成表面缺陷，这些缺陷是光生电荷的复合中心，对空气中的氧气和水分特别敏感，这将对器件PCE和稳定性不利。因此，调节ZnO的功函数，有效减少ZnO表面的缺陷，是一个非常有意义的科学方向。

图1.NAOs与ZnO膜结合示意图

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文献简介

有鉴于此，华南理工大学於黄忠教授研究团队创新地使用三种天然抗氧化剂（NAOs），包括咖啡酸（CA）、阿魏酸（FA）和3,4-二甲氧基肉桂酸（DMCA）来修饰ZnO表面，可以作为对ZnO/活性层界面进行改性的有效且简便的方法。结果表明，NAOs可以通过提高费米能级和降低真空度来有效降低ZnO的WF。利用NAOs对ZnO进行改性，通过形成Zn-O-C键，最终形成新的电荷转移路径，从而提高了ZnO薄膜的电导率，也增加了PCE。

图2.修饰后的器件形貌及机理介绍

研究人员随后首次成功制备了以ZnO/NAO膜为新型ETL的倒置OSCs器件。结果表明，含有ZnO/CA ETL基于PBDB-T:ITIC的器件获得了11.75%的最佳PCE，高于对照无修饰器件（10.15%）、FA修饰器件（11.25%）和DMCA修饰器件（10.9%）。同时，基于PM6:L8-BO的倒置器件PCE从16.41%增加到18.22%。此外，NAOs可以显著去除ZnO表面的羟基，从而提高导致器件的稳定性。CA、FA和DMCA是天然抗氧化剂，普遍存在于植物中，是一种无毒、无污染、可生物降解的材料，有利于长期可持续发展。

图3.器件结构及光伏参数

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文献总结

综上，该工作不仅开发了一种新方法能够提高OSCs器件光伏性能，同时为选择用于界面改性的生物材料提供了新的见解。相关研究成果最新发表于国际著名期刊《Chemical Engineering Journal》上，题为“The modification of ZnO surface with natural antioxidants to fabricate highly efficient and stable inverted organic solar cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，电子传输层，表面修饰，表面偶极。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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