OPV：刀片涂覆制备高效有机太阳能电池空穴层

2024-08-08 14:29:46 41阅读次数

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深圳技术大学谢谌团队发表《A universal hole transport layer for efficient organic solar cells processed by blade coating》，介绍了一种新型的通用空穴传输层材料——磷钼酸（PMA）。通过与传统的PEDOT:PSS相比，基于PMA的设备展现了更低的陷阱辅助复合、更高的空穴迁移率、更长的载流子寿命和更快的充电收集速度。研究结果表明，PMA作为HTL在印刷加工中具有很高的普适性，并且有望用于OSCs的工业化生产。

01研究背景

活性层与电极之间的界面工程对于实现高性能OSCs至关重要。PEDOT:PSS常用于OSC中的HTL，因其良好的光学透明性、深的工作函数、可调谐的导电范围等。然而，PEDOT:PSS水溶液的大表面张力限制了其在疏水表面上的润湿性。通常通过热蒸发将钼氧化物（MoOx）沉积为倒置OSCs中的HTL。考虑到商业工业需求，刀片涂覆是OSC处理中的一个研究点，因为它具有高的材料利用率、原位结晶和可调节参数。在这种情况下，尽管PEDOT:PSS或MoOx通常作为传统结构或倒置OSCs中的HTL进行常规制备，但两者都难以通过刀片涂覆实现大规模生产。一种多金属氧簇材料——磷钼酸（PMA），已被引入作为PEDOT:PSS的替代物应用于有机电子器件中。PMA是一种稳定且成本低廉的可溶性氧化物簇，具有理想的特性，包括优异的热稳定性、高度可调的结构属性、可见光谱的高透明度以及在许多溶剂中的良好溶解性与高亲水性（如醇类和酮类）。本工作报告了在刀片涂覆条件下PMA作为HTL在制备传统和倒置器件中的优势。

02 研究成果

利用磷钼酸（PMA）和PEDOT:PSS这两种多金属氧簇材料作为HTLs，通过刀片涂覆法制备了OSCs。结果表明PMA对于可印刷处理的高度普适性以及其在OSCs工业生产准备中的前景。

（1）与PEDOT:PSS相比，基于PMA的器件展示了更低的陷阱辅助复合、更高的空穴迁移率、更长的电荷载体寿命和更快的电荷收集速度。

（2）使用PM6:Y6作为活性层时，基于PMA的器件获得了更高的17.79%的转换效率（PCE）、更高的短路电流密度（JSC）值28.08 mA/cm²，PMA基器件有效控制了陷阱态和双分子复合。

（3）即使在倒置器件中用PMA替换MoOx，并且通过刀片涂覆工艺处理后，也观察到了JSC和FF的增加。PMA对于刀片涂覆HTL的高度普适性为将来大规模生产OSCs的商业化进程提供了可能性。

03 测试表征

文中采用了多种测试表征技术，包括太阳能电池J-V、外部量子效率（EQE）、吸光度和透射率、原子力显微镜（AFM）、液滴接触角（CA）、瞬态光电压（TPV）、瞬态光电流（TPC）、光致发光（PL）、空间电荷限制电流（SCLC）等。

其中，利用瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测试揭示器件载流子相关特性、理解载流子动力学。如图（a）(b)瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测量曲线。基于PMA的器件的载流子寿命（τ）约为2.734微秒，比基于PEDOT:PSS的器件（2.194微秒）更长。较长的载流子寿命减少了复合损失的可能性，从而在基于PMA的器件中获得了更高的填充因子（FF）和功率转换效率（PCE）。TPC结果显示，基于PMA的器件的扫出时间（tS）为0.173微秒，短于基于PEDOT:PSS的器件（0.209微秒）。更短的收集时间减少了电荷复合并提高了电荷提取效率，导致更高的短路电流（JSC）和填充因子（FF）。

图. Devices of (a) normalized transient photocurrent (TPC) curve and (b) normalized transient photovoltage (TPV) curve

04 相关设备

瞬态光电流TPC/光电压TPV测量仪TranPVC 900：东谱科技早于2017年推出该设备TranPVC 100，TranPVC面市后，迅速得到客户的认可。目前在光伏、光催化、光探测等研究领域的关注度高，有很好的用户基础。TranPVC 发展至今，完成了全系列的产品升级—TranPVC 900。TranPVC 900集成了数种前沿的瞬态测量模式，包括瞬态光电TPV、瞬态光电流TPC、瞬态光电荷TPQ、电荷抽取CE、开路电压上升与衰减Voc Riseand Decay、探测器响应时间TRTF、On-off TPV、On-off TPC等数种前沿的测量模式。为光电器件的机理研究提供了强有力的、便捷的测试工具。