有機(jī)太陽(yáng)能電池因其成本低、質(zhì)輕、溶液可加工性、可制備半透明、柔性器件等顯著優(yōu)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能方面展現(xiàn)了巨大的競(jìng)爭(zhēng)力，在商業(yè)應(yīng)用方面也具有相當(dāng)大的潛力。而有機(jī)太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵在于兼具較高的光電轉(zhuǎn)換效率、較好的穩(wěn)定性與較低的成本。目前，二元有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)19%，穩(wěn)定性成為了限制其商業(yè)應(yīng)用的瓶頸，進(jìn)一步提升高效率有機(jī)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性的需求十分迫切。
近日，南開(kāi)大學(xué)陳永勝教授、萬(wàn)相見(jiàn)教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種新型的氧化鋅有機(jī)修飾層（NMA）并制備了無(wú)機(jī)有機(jī)雜化的電子傳輸層ZnO/NMA，與D18:N3活性層材料搭配制備反向器件時(shí)，獲得了18.2%的光電轉(zhuǎn)換效率，這是目前反向有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高值。同時(shí)，其外推T80可達(dá)7572 h, 首次實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)18%的同時(shí)T80超過(guò)5000 h，等效室外使用壽命長(zhǎng)達(dá)5年。
圖1. (a)反向器件結(jié)構(gòu)、NMA的化學(xué)結(jié)構(gòu)、最佳幾何構(gòu)象和偶極矩取向。(b) ITO/ETL/D18:N3/MoOx/Ag(ETL為ZnO或ZnO/NM)器件在LED持續(xù)光照下的穩(wěn)定性，最大功率點(diǎn)追蹤模式。(c) ITO/ETL/D18:N3/MoOx/Ag(ETL為ZnO或ZnO/NM) 器件的電流密度-電壓曲線。(d) T80壽命超過(guò)1000小時(shí)的有機(jī)太陽(yáng)能電池的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。(e) 基于ITO/ZnO/NMA/D18:N3/MoOx/Ag的1平方厘米的器件的電流密度-電壓曲線。 目前，高效率的有機(jī)太陽(yáng)能電池大多采用正向器件結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性表現(xiàn)不甚理想；而相應(yīng)的反向器件的穩(wěn)定性更高，但光電轉(zhuǎn)換效率又相對(duì)正向結(jié)構(gòu)的稍低。因而，制備高效率、高穩(wěn)定性的有機(jī)太陽(yáng)能電池的一個(gè)策略是采用反向器件結(jié)構(gòu)，并能同時(shí)提升效率到與正向器件相當(dāng)?shù)乃?。氧化鋅作為反向有機(jī)太陽(yáng)能電池中最常使用的電子傳輸層獲得了廣泛的研究。然而，由于氧化鋅在吸收紫外光后會(huì)產(chǎn)生有催化活性的物種，可導(dǎo)致有機(jī)太陽(yáng)能電池中的活性層材料分解，這是應(yīng)用氧化鋅的最主要的挑戰(zhàn)。 在該工作中，NMA除了作為一個(gè)空間結(jié)構(gòu)上的保護(hù)劑，隔絕氧化鋅與活性層的直接接觸，也大大降低了氧化鋅表面的缺陷態(tài)氧的含量，進(jìn)而協(xié)同地抑制了氧化鋅對(duì)活性層材料的催化分解。此外，NMA修飾后，活性層與電子傳輸層之間更匹配的表面能也降低了熱驅(qū)動(dòng)下二者之間的形貌弛豫，因而器件的熱穩(wěn)定性也大大提升。同時(shí)，由于NMA的引入，降低了活性層與電子傳輸層之間的界面接觸勢(shì)壘，獲得了更有利的垂直相分離，使得器件內(nèi)部的電荷復(fù)合降低，保障了更高效的載流子傳輸與電荷收集過(guò)程，因而器件的開(kāi)路電壓，短路電流密度與填充因子獲得了協(xié)同的提升。 此外，對(duì)于其他具有代表性的活性層體系: PM6:Y6:PC71BM、PM6:L8-BO、PM6:F-2Cl、PCE10:PC71BM體系，基于雜化電子傳輸層ZnO/NMA的器件的穩(wěn)定性與效率相比于基于裸ZnO的均獲得了協(xié)同的增益，體現(xiàn)了NMA修飾層較好的普適性。 圖2. 基于ZnO/NMA與ZnO不同活性層的器件的電流密度-電壓曲線：PM6:Y6:PC71BM (a); PM6:L8-BO (c); PM6:F-2Cl (e); PCE10:PC71BM (g)。基于ZnO/NMA與ZnO不同活性層的器件在在LED持續(xù)光照下的穩(wěn)定性，最大功率點(diǎn)追蹤模式：PM6:Y6:PC71BM (b); PM6:L8-BO (d); PM6:F-2Cl (f); PCE10:PC71BM (h)。 論文信息 Achieving over 18?% Efficiency Organic Solar Cell Enabled by a ZnO-Based Hybrid Electron Transport Layer with an Operational Lifetime up to 5?Years Shitong Li, Qiang Fu, Lingxian Meng, Xiangjian Wan, Liming Ding, Guanyu Lu, Guanghao Lu, Zhaoyang Yao ,Chenxi Li, Yongsheng Chen Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202207397
