裴素朋教授、朱磊博士， ACS Energy Lett.：三聚氰胺掺杂阴极界面层提高有机太阳能电池器件性能- 大数跨境

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裴素朋教授、朱磊博士， ACS Energy Lett.：三聚氰胺掺杂阴极界面层提高有机太阳能电池器件性能

科学材料站

2021-09-25

导读：该工作将三聚氰胺（MA）掺杂到阴极界面材料PFN-Br中，通过优化掺杂比例使器件的开路电压（VOC）,短路电流（JSC）,填充因子（FF）都得到一定程度的提高

文章信息

三聚氰胺掺杂阴极界面层提高有机太阳能电池器件性能

第一作者：熊霞

通讯作者：裴素朋、朱磊

单位：上海应用技术大学，上海交通大学

研究背景

阴极界面修饰层在提高有机太阳能电池的能量转换效率方面扮演了至关重要的角色。好的界面可以有效改善活性层与电极之间的欧姆接触，提高载流子提取效率，抑制双分子及缺陷复合。同时，界面层还可以调节电极的功函，提高电极的电荷提取和选择能力。

此外，界面层对器件的稳定性也有重要影响，合适的界面层材料可以显著提高器件的长期稳定性，在未来大面积器件的应用中起着决定性的作用。

文章简介

基于此，来自上海应用技术大学的裴素朋校聘教授与上海交通大学的朱磊博士合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Melamine-Doped Cathode Interlayer Enables High-Efficiency Organic Solar Cells”的文章。

该工作将三聚氰胺（MA）掺杂到阴极界面材料PFN-Br中，通过优化掺杂比例使器件的开路电压（VOC）,短路电流（JSC）,填充因子（FF）都得到一定程度的提高。MA的加入提高了器件的电子迁移率，使得载流子迁移率更加平衡。同时改善了界面和电极的欧姆接触，降低了界面复合。

基于PM6:Y6的未掺杂器件效率为16.54%，掺杂0.25%MA后，器件效率显著提高至17.44%。同时，该方法具有很好的普适性，在多个体系中均表现出器件性能的显著提升，PM6:BTP-eC9二元器件效率更是达到了18.58%。

图1.(a)器件结构以及PFN-Br和MA的化学结构。(b) 有机太阳能电池的工作机理。(c) PM6和Y6的化学结构。在0%和0.25% MA掺杂量下，器件的J−V曲线(d)、EQE曲线(e)和效率分布图(f)。

文章要点

要点一：三聚氰胺对PFN-Br的掺杂

PFN-Br是一种典型的醇溶性聚电解质材料，具有合适的偶极矩，可以降低银或其他金属的功函数，常被用作有机太阳能电池的电子传输层。界面偶极会影响活性层与电极之间的界面特性，较大的肖特基势垒会降低载流子的提取效率，增加接触电阻，进而削弱器件性能。

采用三聚氰胺(MA)掺杂PFN-Br，MA是一种含氮量很高的有机物，在甲醇和乙醇中具有较好的溶解性。分子中的大量氨基可以与活性层中的有机半导体材料形成氢键，从而与活性层有良好的接触。

为了证实MA对PFN-Br的掺杂效果，测试了PFN-Br掺杂前后的电子自旋共振(ESR)谱图(如图2a)。在PFN-Br纯膜中未检测到明显的信号，而MA掺杂后出现了一个强烈的信号峰，表明了混合体系内自由基的形成，这可能是MA的氮原子与PFN-Br的共轭主链之间的电荷转移。

利用紫外电子能谱研究了MA掺杂前后PFN-Br的电子特性，结果发现，MA掺杂后PFN-Br的功函略有降低，有利于活性层与电极之间形成更好的欧姆接触，提高器件的内建电势。同时，MA掺杂后PFN-Br的费米能级更靠近LUMO能级，进一步证明了MA对PFN-Br的n-型掺杂。

图2. PFN-Br掺杂前后的电子自旋共振谱(a)和紫外光电子能谱(b)。(c) PFN-Br掺杂前后的能级示意图。

要点二：掺杂后器件的载流子运输得到提高

MA掺杂器件表现出较高的填充因子和短路电流，说明器件的载流子传输过程得到了有效改善，抑制了界面复合。

为了阐明这些过程，采用瞬态光电压(TPV)和瞬态光电流(TPC)研究了器件的电荷复合动力学。MA掺杂器件的载流子寿命在不同开压下有显著的提高，说明载流子湮灭被抑制，界面处的缺陷态密度降低。

同时，MA掺杂后载流子的复合速率降低，非成对复合路径被抑制。MA对PFN-Br的掺杂提升了活性层与电极间的欧姆接触，降低了界面缺陷，提高了电荷提取效率，并使得载流子迁移率更加平衡。

文章链接

“Melamine-Doped Cathode Interlayer Enables High-Efficiency Organic Solar Cells”

https://pubs.acs.org/10.1021/acsenergylett.1c01730

通讯作者简介

裴素朋校聘教授，博士学位，上海应用技术大学化学与环境工程学院教师。

以第一作者或通讯作者在Appl.Catal.A-Gen.,RSCAdvanced.,J.ColloidInterfaceSci.等国内外学术刊物上发表研究论文40余篇，申请（或授权）中国发明专利18项。先后承担（或参与）国家科技支撑计划重大项目、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、上海市科技创新行动计划高技术领域项目、上海市联盟计划等研究项目，具有多年的产学研合作经验。

朱磊博士，上海交通大学化学化工学院博士后。

2017年毕业于北京化工大学材料科学与工程学院获工学博士学位，随后前往美国劳伦斯伯克利国家实验室交流访问。2018-2020年在华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室进行博士后研究工作，2020年至今在上海交通大学刘烽教授课题组从事博士后研究工作。以第一作者或通讯作者在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci., Nat. Commun., Matter, ACS Energy Lett., J. Mater. Chem. A, Org. Electron. 等国内外学术刊物上发表研究论文。先后承担国家自然青年科学基金和中国博士后科学基金。

第一作者简介

熊霞，就读于上海应用技术大学。

研究生期间在上海交通大学刘烽课题组进行联合培养，主要研究方向是有机太阳能电池的界面工程。