AEM太阳能电池：以HSolar为连接层的高性能串联有机太阳能电池

North Carolina State University

     在这项工作中，利用商业上可获得的材料PEDOT:PSS-HTL-solar（HSolar）作为ICL用的空穴传输材料来制备高重复性和高效率的串联太阳能电池。与传统的PEDOT:PSS-Al 4083（c-PEDOT）相比，HSolar在下面的非完全光活性层上具有更好的润湿性，从而使ICL具有更好的电荷提取特性。

互连层，有机光伏，串联太阳能电池

     除了选择互补的光活性OPV材料来优化集光外，串联太阳能电池的关键部件是互连层（ICL）。ICL是两个子电池之间的一层，在这两个子电池中，相反的电荷载流子被提取出来重新组合，它在决定串联器件的性能方面起着重要的作用。理想的ICL必须允许有效的电荷复合，而不损失填充因子和开路电压。其基本结构是超薄空穴萃取层（HEL）和电子萃取层（EEL）的组合。此外，ICL应具有光学透明性，并为前子电池提供化学保护，防止后子电池活性层溶液处理过程中溶解。ICL的成分不应干扰下面的层。这些要求严重限制了ICL的选择，基于溶液处理ICL的高效可重复串联器件的实现仍然具有挑战性。为了进一步发展串联太阳能电池，迫切需要一种与非全基光活性层兼容的通用全溶液方法。

不同的HEL和EEL候选人被推荐为ICL。对于电子提取层，已经报道了几种聚合物etl。然而，这些材料在可见区域显示出光吸收，并减少了传输到后池的光。另一方面，对于HEL-聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：使用聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）和金属氧化物，如MoO_x、V₂O₅和WO₃。然而，互连层中使用的金属氧化物并没有产生令人满意的器件性能，使得超薄（约1nm）金属层（Al、Ag或Au）在顶部被热蒸发以促进欧姆接触。这种薄金属层降低了通过ICL的透光率。此外，当在大面积基底上制造装置时，奈米厚度控制是否能一致地实现，也是一个疑问。

理论上，PEDOT:PSS是一种理想的选择，因为它分散在水中，这与大多数有机光活性层所用的溶剂是正交的。但缺点是由于其具有较高的水表面能，导致PEDOT:PSS在有机光活性层上的润湿性差。考虑到非完全活性层表面的疏水性，润湿问题变得更加严重。为了解决润湿问题，需要对PEDOT:PSS公式进行修改，以进行反向串联器件处理。Yang等人证明了将PEDOT:PSS-PH500与聚苯乙烯磺酸钠水溶液混合，所得ICL对氯苯溶剂的耐用性有所提高。开发了一种新的PEDOT:PSS配方，将Al 4083与正丙醇混合，加入适量正丙醇，可以形成接近共沸的混合物，并确保溶剂在旋涂过程中完全蒸发。通过改善润湿性，可以在富勒烯基活性层上形成均匀的无损HEL。还有一些关于添加少量表面活性剂改善PEDOT:PSS润湿性的报道。

然而，紫外光浸泡需要形成欧姆接触，并且该过程会导致活性层的损坏。这些复杂的过程步骤也会导致过程控制问题。综上所述，虽然文献中已经报道了高效率串联太阳能电池，但即使在详细遵循处理步骤的情况下，这些结果也很难再现。因此，串联有机太阳能电池的研究进展相当有限。

图1. 材料结构及J-V特性。

a) Chemical structure of active layer materials.

b) Optical absorption of FTAZ:IT-M and PTB7-Th:IEICO-4F thin films.

c) Corresponding J–V characteristics under AM1.5G solar spectrum.

d) External quantum efficiency spectrum of single cells.