武汉大学闵杰课题组AFM:双溶剂氯化ITO构建高性能无空穴传输层有机太阳能电池

【引言】

溶液法制备的有机光伏电池（OPVs）具有重量轻、成本低、色彩丰富等优点，因而被认为是最有发展前景的光伏技术之一。得益于活性层材料、形态控制策略和器件工程的发展，OPV领域取得了显著进展。通常，OPV器件是由五部分组成：阳极和阴极，空穴传输层（HTL），电子传输层（ETL），以及具有体异质结（BHJ）结构的活性层（AL）。目前，越来越多的研究表明，ETL和HTL界面层通常存在着许多缺点，包括加工条件苛刻，可重复性差，易于衰减/变性，材料价格昂贵，与活性层或电极层易发生化学反应或界面物理变化等。需要说明的是，早期的有机太阳电池器件结构并没有界面层，而是以金属-半导体-金属（MSM）器件结构为主。发展成为目前含有界面层的器件结构主要是因为MSM器件中的电极限制了电荷的收集。基于此，寻找新的加工方法，开发可替代的界面层材料来制备高效率和高稳定性的光伏器件，也应成为OPV领域主要研究热点之一。

武汉大学闵杰研究员（通讯作者）报道在ITO界面调控的工作，采用两步溶剂处理（TSST）策略成功构建无界面层高性能全小分子太阳能电池（Energy Environ. Sci. 2021, 14, 3174-3183）。氧化铟锡（ITO）的表面经过氯苯和紫外线处理，能够形成降低氯化ITO阳极的功函并改善其表面能。另外，选择甲醇溶剂处理活性层表面能够有效提升活性层/铝(Al)电极界面处的真空能阶，并钝化活性层的表面陷阱。该策略在提高效率的同时可以显著提高全小分子体系器件的稳定性，延长ITO基底的寿命周期，降低模块的生产成本。

然而，将氯苯溶液处理的ITO导电玻璃运用到非富勒烯小分子-聚合物光伏器件的构建中，作者发现单一溶剂处理方式并不适用。在该项工作中，作者进一步设计并采用双溶剂（ODCB:H₂O₂）处理ITO基底，精细调控基底的功函和表面能，成功构建效率高达18.60%无空穴传输层（PEDOT：PSS）的有机太阳电池。并且1cm²器件效率为17.84%，非卤溶剂甲苯加工效率达到了18.16%。

【图文导读】

图1：(a)ITO电极的表面氯化方法；各种相关基底(b)透过率，(c)紫外光电子能谱，(d)X射线光电子能谱，(e)接触角，(f)表面能。

作者通过单溶剂、双溶剂处理获得氯化ITO导电玻璃。对比ITO、ITO/PEDOT:PSS、ITO-Cl(ODCB)以及ITO-Cl(ODCB:H₂O₂)表面性质。双溶剂处理获得的基底相对于单溶剂而言在保持透过率不变的情况，精细调控了基底的功函和表面能。

图2：(a)光伏材料化学结构及器件结构示意图；(b)能级图；各种相关器件(c)J-V曲线，(d)EQE曲线；(e)中国计量科学研究院认证效率；(f)文献报道认证效率统计图；(g)1cm²器件光电性能；(h)非卤溶剂甲苯构建器件光电性能。

选用三元体系(PBDB-T-2F:BTP-eC9:PC₇₁BM),基于不同基底作为器件的电极构筑器件。ITO-Cl(ODCB:H₂O₂)构筑的无空穴传输层光伏器件光电转换效率最高可达到18.60%(中国计量科学研究院认证效率17.94%)。并且1cm²器件效率为17.84%，非卤溶剂甲苯加工效率达到了18.16%。

图3：基于不同光伏体系的ITO电极表面氯化方法普适性研究。

最后研究者将其运用到目前报道较高光伏性能的体系中，发现其具有良好的普适性。

【小结】

综上所述，使用共混双溶剂处理ITO导电玻璃基底产生合适功函的修饰电极，使其适用于高性能非富勒烯小分子-聚合物体系。该策略构建的有机光伏器件，在光学性质、激子解离、电荷输运和萃取以及复合动力学等方面具有显著优点。此外，由ODCB:H₂O₂共混双溶剂氯化的ITO阳极是一种易于应用和成本效益高的方法，可用于构建稳定、高效、无空穴传输层的聚合物有机太阳电池。

该项工作得到了国家自然基金委、武汉大学科研启动经费以及校内自主科研项目的支持，同时也得到了北京分子科学国家研究中心和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室等单位开放基金的支持。感谢中科院化学所李永舫院士、埃尔朗根纽伦堡大学Christoph J. Brabec教授、福建物构所郑庆东教授、国家纳米中心丁黎明教授和肖作教授、西安交通大学鲁广昊教授等合作者在光伏材料和性能表征方面的支持和帮助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202106846

来源：高分子科学前沿

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