北化工刘瑶团队ACS Energy Lett.：阴极界面层对高效有机太阳能电池的同步掺杂效应

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）具有众多独特的优势，包括灵活性、重量轻、无毒性、透明性以及与低成本、大面积加工技术的兼容性，是非常有前景的新一代光伏技术。特别是近年来，基于非富勒烯的OSCs引起了广泛的研究兴趣，二元OSCs的功率转换效率（PCE）值超过19%。除了有机半导体合成设计以及器件优化方面所付出的巨大努力，阴极界面层在提高OSCs的效率方面也发挥着重要作用，因为它们能够调整界面能级、降低接触电阻和增强内置电势。然而，目前关于阴极界面层材料的设计策略研究较少，需要进一步的理解。

胺衍生物是非常有前景的阴极界面层，由于氨基属于给电子基团，因此能够提供低阴极功函数和n掺杂效应。然而，目前胺衍生物阴极界面层材料如NDIN、PDIN、PDINO、PDINN等数量较少，此外，传统的胺类阴极材料，如PFN，在非富勒烯太阳能电池中表现出S形电流密度-电压（J–V）曲线。一方面，据报道，强受体掺杂效应会导致阴极/活性层界面处的电荷累积；另一方面，受体掺杂效应与降解效率的关系可忽略不计。尽管自掺杂在界面层掺杂中也非常重要，但目前很少研究关注界面层自掺杂以及受体掺杂效应来解析非富勒烯OSCs中的表面问题。因此，对阴极界面层自掺杂及其在活性层受体上的掺杂进行补充研究，有助于对非富勒烯OSCs的表面改性有更深入的了解。

图1.分子结构与器件结构

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文献简介

有鉴于此，近日，北京化工大学刘瑶教授研究团队在最新发表的工作中，系统地研究了阴极界面层材料中共轭核的电子特性与其自掺杂效应和活性层中受体的掺杂之间的关系。具体而言，研究人员利用典型的二元非富勒烯OSCs（PBDB-T:ITIC、PM6:IT-4F、PM6:Y6和PM6:L8-BO）中，比较了具有富电子共轭核的PFN和具有受电子共轭核的C60-N作为阴极界面层材料时器件的不同性能。与基于PFN的OSCs相比，含有C60-N的器件表现出更高的PCE，以及更高的短路电流密度（JSC）、填充因子（FF）和开路电压（VOC），这归因于C60-N修饰后电压损失降低、电荷复合抑制和电子收集增强。

图2.两种界面层条件下不同器件的J-V曲线

值得注意的是，无论电子结构如何，PFN和C60-N都对非富勒烯受体显示出类似的掺杂效应，这可以通过紫外-可见吸收光谱和有机场效应晶体管（OFET）测量来证明。与PFN中可忽略的自掺杂相反，富勒烯单元的吸电子性质赋予C60-N独特的自掺杂特征。因此，在C60-N阴极界面层中显示出同步掺杂效应（阴极界面层的自掺杂及其对活性层中受体的掺杂的组合），这对于提高器件效率至关重要。总的来说，通过将C60-N与PM6:L8-BO二元OSCs组合，可以获得高达18.07%的PCE，是目前基于非富勒烯二元OSCs的最高值之一。

图3.其它性质及光电性能

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文献总结

综上，该工作以界面层材料设计为重点，讨论了结构-性能相关性，为实现OSCs器件中高效的界面工程提供了重要的指导。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《ACS Energy Letters》上，题为“Synchronous Doping Effects of Cathode Interlayers on Efficient Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，阴极界面层，富勒烯结构，电子收集。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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