於黄忠教授， AFM：采用二维ZrSe2修饰ZnO作为复合电子传输层制备了一种高效稳定的倒置结构有机太阳能电池

第一作者：李虹烨

通讯作者：於黄忠

单位：华南理工大学

在倒置有机太阳能电池(OSCs)中，氧化锌(ZnO)由于其高电子迁移率，在可见光范围内透明而被广泛用作电子传输层(ETL)材料。同时，由于体异质结(BHJ)结构的活性层更有利于底层受体的沉积，倒置OSCs比正装OSCs具有更好的电荷输运能力，获得更高的PCE。然而，随着新型活性层材料和新型电荷输运层材料的出现，倒置OSCs的PCE一直低于正装OSCs。这可能是由于ZnO与新活性层材料之间的界面能级不匹配，从而抑制了电荷的传输。同时，ZnO中的缺陷和杂质(氧空位和吸附氧)等陷阱中心加强了界面处的电子-空穴复合，降低了ZnO的导电性，导致OSCs中电荷迁移率失衡。

此外，ZnO在紫外线照射下存在严重的光催化问题，会降解活性层，从而降低倒立OSCs的寿命。与有机小分子相比，二维纳米片具有更好的导电性，可以与ZnO形成范德华异质结，促进电荷输运。然而，利用二维纳米片修饰电荷输运层的研究很少，因此二维纳米片在修饰过程中的具体作用尚不清楚。因此，本篇利用二维ZrSe₂修饰ZnO，构建了新的ZnO/ZrSe₂复合ETL，并进一步研究了二维纳米片在改性过程中的作用。

近日，来自华南理工大学的於黄忠教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“An Efficient and Stable Inverted Structure Organic Solar Cell Using ZnO Modified by 2D ZrSe₂ as a Composite Electron Transport Layer”的观点文章。该观点文章分析了ZnO在倒置OSCs中存在的能级、缺陷和光催化问题，并利用二维ZrSe₂修饰ZnO和研究了二维纳米片在修饰过程中的作用，为未来二维纳米片在OSCs中的应用提供了研究思路。

XPS显示ZnO得到了电子使得Zn 2p和O 1s向低结合能方向移动。另外，本篇还通过第一性原理计算了ZrSe₂与ZnO结合的模型。模型显示Zn和O分别与Se和Zr结合，并得到了Se和Zr上面的电子。而UPS也显示了ZnO的功函数有所下降，更靠近活性层的LUMO能级。

对XPS的O 1s中进行分峰得到了ZrSe₂修饰后缺陷氧的占比有所下降，而ZnO的PL特征峰也显示了缺陷氧的特征峰占比下降。ZnO缺陷浓度使得ZnO的电导率得到提升。

Giwaxs显示了经过ZrSe₂改性后，PBDB-T: ITIC的π-π堆积峰(010)明显升高，表明PBDB-T: ITIC的结晶度提高。ZrSe₂修饰后，PBDB-T和ITIC的π-π堆积峰(010)分别从1.721 Å^-1和1.508 Å^-1增加到1.726 Å^-1和1.512 Å^-1，进一步表明PBDB-T和ITIC的结晶度有所提高。PBDB-T的CCL从13.70 Å增加到13.91 Å， ITIC的CCL从14.82 Å增加到15.25 Å。此外，在面内(qxy)方向，(001)、(300)和(010)的强度显著增强，表明PBDB-T和ITIC的结晶度增加。

TPC显示ZnO/ZrSe₂ETL器件的激子寿命降至0.60 us。TPV显示ZnO/ZrSe₂ETL器件的激子寿命提高到1.97 us。说明ZrSe₂的修饰抑制了器件的电荷重组。超快瞬态吸收(TA)光谱显示由于活性层的结晶度提高，激子的产生过程的时间常数τ从0.5 ps缩短到0.4 ps，而电子衰变寿命更长。而ZrSe₂修饰后，器件的空穴衰减寿命明显缩短。空穴在传输过程中被缺陷捕获，而电子没有被影响，从而减少界面的电荷复合。

通过调整ZnO能级和缺陷密度以及减少电荷复合，ZrSe₂改性后，ZnO/ZrSe₂基ETLs器件的PCE分别从15.45%提高到16.34%和17.34%提高到18.24%。这主要是因为Jsc和FF都提升了。

Table 3. The performances of solar cells with ZnO and ZnO/ZrSe₂as ETLs in OSCs based on PM6:Y6 and PM6:L8-BO, measured at AM 1.5 G irradiation (100 mW cm-2).

要点五：ZrSe₂修饰提高器件寿命

在光环境中老化1200小时后，以ZnO为ETL的器件的PCE保持在原始器件的60%左右。以ZnO/ZrSe₂为ETL的器件PCE仍能保持在原来的80%左右。这表明ZrSe₂可以提高器件在光环境中的稳定性。这是因为ZnO的光催化作用会在光照下腐蚀活性层，导致器件性能下降。ZrSe₂通过与ZnO表面的相互作用，减少了ZnO的光催化作用对活性层的腐蚀，从而提高了器件的稳定性。

An Efficient and Stable Inverted Structure Organic Solar Cell Using ZnO Modified by 2D ZrSe₂as a Composite Electron Transport Layer

於黄忠教授简介：现任华南理工大学教授，博士生导师。他于2002年在华南师范大学获得微电子理学硕士学位，并于2008年在华南理工大学获得材料物理与化学博士学位。他已在Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters, Angewandte Chemie、Advanced Functional Materials等期刊发表了120多篇研究论文，申请及授权了35项发明专利，目前的研究方向是光电材料和光伏器件领域。

李虹烨：华南理工大学硕士研究生，主要研究方向为新型界面层材料及有机太阳能电池。